PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE BOROTEC APLICADO POR ROCIADO TÉRMICO SOBRE ACERO PARA VALVULAS DE MOTORES

DIESEL

JOSE LUIS BANGUERA PAZ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2015

PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE BOROTEC APLICADO POR ROCIADO TÉRMICO SOBRE ACERO PARA VALVULAS DE MOTORES

DIESEL

JOSE LUIS BANGUERA PAZ

Pasantía de Investigación para optar al título de Ingeniero Mecánico

Directora NELLY CECILIA ALBA DE SANCHEZ, PhD.

Ingeniera Mecánica

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2015

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Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico

EMERSON ESCOBAR NUÑEZ Jurado LEONID MILFRED IPAZ CUASTUMAL Jurado

Santiago de Cali, Julio de 2015

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Este documento se lo dedico en primera instancia a Dios ya que sin El nada de lo que he realizado sería posible; en segundo lugar y no menos importante quiero dedicar este documento a mi madre y a mi padre, estoy agradecido por su constante apoyo, por la educación que me brindaron y gracias por guiarme a través de cada experiencia; a ustedes les debo todos los conocimientos que he adquirido y gracias a ustedes es que soy quien soy.

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AGRADECIMIENTOS

A Dios. Sin Él, el desarrollo de este documento no hubiera sido posible. A mis padres. Estoy completamente agradecido por escucharme y apoyarme en cada momento de mi carrera y en la culminación de mis estudios universitarios. Quiero reconocer de forma muy especial a mis maestros la Dra. Nelly Cecilia Alba de Sánchez y al Dr. Faber Correa Ballesteros. Ingenieros, muchas gracias por brindarme la oportunidad de pertenecer al Grupo de Ciencia e Ingeniería de Materiales, gracias por su constante apoyo durante el desarrollo de este documento y sobre todo, muchas gracias por prepararme como un profesional. Al Dr. Pedro Arango de la Universidad Nacional de Manizales, sede La Nubia. Gracias. A los Ingenieros Mauricio Patiño y Roosevelt Cifuentes por brindarme la orientación y asesoría requerida en todo lo relacionado con la empresa SAGER S.A. Al Ingeniero Gustavo Adolfo Agudelo por la orientación acerca del uso de los elementos disponibles en el laboratorio del grupo GCIM, por su disposición para ayudarme a realizar gran parte de los ensayos desarrollados en este documento, y por ayudarme a analizar los resultados obtenidos.

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CONTENIDO CONTENIDO 6 GLOSARIO 12 RESÚMEN 13 INTRODUCCIÓN 14 1. ANTECEDENTES 16 2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 19 3. JUSTIFICACIÓN 21 4. OBJETIVOS 23 4.1. OBJETIVO GENERAL 23 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 23 5. MARCO TEÓRICO 24 5.1. ROCIADO TÉRMICO 24 5.2. ROCIADO TÉRMICO POR COMBUSTIÓN 25 5.3. ROCIADO TÉRMICO POR ARCO ELÉCTRICO 26 5.4. PROCESO DE EUTALLOY 27 5.5. RECUBRIMIENTO 29 5.6. TIPOS DE RECUBRIMIENTOS 29 5.7. DESGASTE 30 5.8. PRUEBA DE PIN ON DISK 32 5.9. ESTABILIDAD TÉRMICA 33 5.10. TERMOGRAVIMETRÍA 33

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5.11. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO 34 6. DETALLES EXPERIMENTALES 35 6.1. OBTENCIÓN DE PROBETAS 35 6.2. PREPARACIÓN SUPERFICIAL 35 6.3. PARAMETROS DE ROCIADO TÉRMICO 36 6.4. CARACTERIZACIÓN DEL RECUBRIMIENTO 37 7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 42 7.1. DUREZAS 42 7.2. PRUEBA DE DESGASTE 46 7.3. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO - PRUEBA DE DESGASTE 53 7.4. RAYADO SUPERFICIAL POR SCRATCH TEST 55 7.5. RAYADO TRANSVERSAL POR SCRATCH TEST 57 7.6. TERMOGRAVIMETRÍA (TGA) 60 7.7. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) 61 7.8. ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL 63 8. CONCLUSIONES 65 9. RECOMENDACIONES 67 BIBLIOGRAFIA 68 ANEXOS 70

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LISTA DE CUADROS

Cuadro 1. Parámetros técnicos de eutalloy 28

Cuadro 2. Composición química del recubrimiento cerámico borotec 10009 29

Cuadro 3. Recubrimientos obtenidos por rociado térmicos 30

Cuadro 4. Parámetros del proceso de termo rociado 36

Cuadro 5. Parámetros dureza vickers 39

Cuadro 6. Parámetro ensayo pin-on-disk 40

Cuadro 7. Parámetros prueba de rayado superficial 41

Cuadro 8. Parámetros TGA y DSC 41

Cuadro 9. Dureza rockwell c: sustrato y recubrimiento 43

Cuadro 10. Dureza vickers: perfiles de microdureza 45

Cuadro 11. Variación de masa durante la prueba de pin on disk: sustrato y recubrimiento 47

Cuadro 12. Valores de coeficiente de fricción 48

Cuadro 13: Áreas proyectadas de los triángulos del recubrimiento borotec 58

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Proceso de Rociado térmico 24 Figura 2: Esquema rociado térmico por arco eléctrico 27 Figura 3: Equipo de Eutalloy 28 Figura 4: Tribómetro. Laboratorio grupo GCIM. 32 Figura 5: Termobalanza, laboratorio de Análisis Térmico de la Universidad

Autónoma de Occidente. 33 Figura 6: Calorímetro de barrido diferencial, laboratorio de Análisis Térmico

de la Universidad Autónoma de Occidente. 34 Figura 7: Torno mod. A. 72. Laboratorio de manufactura UAO. 35 Figura 8: Pistola Superjet Alloy 36 Figura 9: Probetas de acero Cr-Ni-Mn, recubiertas con Borotec 37 Figura 10: Probetas embebida de baquelita 38 Figura 11: Durómetro Identec ZHV 39 Figura 12: Variación de la Dureza superficial (HRC) del sustrato 42 Figura 13: Distribución de perfiles de Dureza Vickers 44 Figura 14: Micrografía MEB de las indentaciones en la sección transversal 45 Figura 15: Coeficiente de fricción vs recorrido, sustrato 49 Figura 16: Microscopía óptica: óxidos superficiales. 50 Figura 17: Microscopía óptica. Formación de óxidos superficiales en los.

sustratos 2 y 3. 51 Figura 18: Coeficiente de fricción vs recorrido, recubrimiento. 52 Figura 19. Micrografía óptica pista del recubrimiento. 53 Figura 20: Micrografía del surco dejado por el pin on disk sobre el recubrimiento 54

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Figura 21: Análisis EDS en la pista del recubrimiento 55 Figura 22: Coeficiente de fricción vs carga en la prueba de rayado 56 Figura 23: Micrografía MEB a 500x del rayado superficial en el Borotec 56 Figura 24: Micrografía MEB a 500x del final de la huella de rayado superficial

en el Borotec 57 Figura 25: Esquema rayado transversal con carga constante 58 Figura 26: Microscopía óptica del rayado transversal 59 Figura 27: Termogravimetría en atmosfera de He, Ar y Ni. 61 Figura 28: Calorimetría Diferencial de Barrido en atmosfera de Nitrógeno. 62 Figura 29: Micrografía óptica interface sustrato/recubrimiento a 100X 63 Figura 30: Micrografía MEB interfaz sustrato-recubrimiento. 64

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LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1. RESULTADO ANÁLISIS QUÍMICO VÁLVULA DE ESCAPE 70

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GLOSARIO

ADHERENCIA: propiedad característica de las películas delgadas y recubrimientos duros que representa la capacidad de unión a la superficie de deposición. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC): técnica experimental dinámica que permite determinar la cantidad de calor que absorbe o libera una sustancia, cuando es mantenida a temperatura constante durante un tiempo determinado, o cuando es calentada o enfriada a velocidad constante, en un determinado intervalo de temperaturas. DESGASTE SUPERFICIAL: pérdida de material causado por la fricción entre superficies en movimiento relativo. ESTABILIDAD TÉRMICA: propiedad térmica de un material en la cual las propiedades del mismo no varían por efecto de la temperatura. RECUBRIMIENTO DURO: película depositada sobre la superficie de un substrato para aumentar sus propiedades superficiales. ROCIADO TÉRMICO: tratamiento empleado para la deposición de recubrimientos metálicos o cerámicos en la superficie de cualquier objeto. TERMOGRAVIMETRÍA (TGA): técnica que mide la variación de la masa de una muestra frente al tiempo o a la temperatura, mientras se somete a una tasa de calentamiento en un atmosfera específica. TRIBOLOGÍA: ciencia que estudia la fricción, el desgaste, la lubricación y el contacto superficial entre dos o más superficies en movimiento relativo. VÁLVULA DE ESCAPE: pieza metálica encargada de permitir la expulsión de los gases generados en la cámara de combustión.

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RESÚMEN Esta investigación hace parte de un proyecto macro del grupo GCIM aprobado por DIDT mediante Resolución 6829 de rectoría, titulado Implementación de la tecnología de rociado térmico en partes de motores de combustión interna. La investigación surge como alternativa de solución a los problemas de desgaste por fricción y temperatura que presentan las válvulas de escape de los motores de combustión interna Diesel, estudiando las propiedades mecánicas y tribológicas que presenta el recubrimiento Borotec de la marca comercial Eutectic-Castollin, aplicado mediante proceso Eutalloy, y comparándolas con las propiedades mecánicas y tribológicas de un acero al Cr-Ni-Mg. Se evaluó la dureza Rockwell C del sustrato y del recubrimiento; se construyeron perfiles de microdureza Vickers desde el sustrato hasta el recubrimiento; se determinó el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste por deslizamiento en seco del sustrato y el recubrimiento, mediante prueba de pin on disk; se usó la microscopía electrónica de barrido para analizar los mecanismos de desgaste en la pista de la prueba de desgaste; se estudió la microestructura transversal del recubrimiento mediante microscopía óptica; se calculó la adhesión del recubrimiento al sustrato; se analizó la estabilidad térmica del recubrimiento mediante termogravimetría (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Acorde a los resultados obtenidos, el recubrimiento presentó mejores propiedades mecánicas y tribológicas en comparación con el sustrato. La pérdida de masa asociada al desgaste por deslizamiento por parte del recubrimiento fue de 2,8 mg, mientras que la pérdida de masa del sustrato fue de 32,7 mg. El coeficiente de fricción de ambos elementos fue semejante, 0,56 en el recubrimiento y 0,57 en el sustrato; sin embargo el comportamiento del coeficiente de fricción fue estable en el recubrimiento y fluctuante en el sustrato, durante un ensayo de pin on disk sin lubricante entre las superficies. Por otro lado, los análisis de termogavimetría o calorimetría diferencial de barrido, indicaron que el recubrimiento posee estabilidad másica en atmosfera de Ni a altas temperaturas y la entalpía de cristalización del recubrimiento fue de 54,31 J/g. PALABRAS CLAVE: Rociado térmico. Recubrimiento duro. Desgaste. Dureza. Metalografía. Desgaste.

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INTRODUCCIÓN Conforme los sectores industriales aumentan su productividad al implementar nuevas tecnologías, estos se ven en la necesidad de emplear piezas cuyas propiedades mecánicas y tribológicas le permitan presentar alta resistencia a los diversos mecanismos de desgaste y fatiga; además, se destaca el hecho de que en algunas industrias se emplean piezas recubiertas mediante diferentes técnicas, con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas y tribológicas superficiales, aumentar su vida útil y disminuir los costos de obtención de una pieza nueva. El sector automotriz es uno de los sectores industriales que emplean piezas recubiertas en algunos componentes del automóvil como pistones, las válvulas de admisión y escape, la camisa de cilindros y en algunos casos, se recubre el mismo bloque del motor1; generalmente las piezas se recubren con el propósito de aumentar la resistencia a las altas temperaturas, mejorar la transferencia de calor o disminuir la fricción entre componentes. Las válvulas de escape, elemento seleccionado para desarrollar la investigación, presentan varios mecanismos de falla donde se destacan el picado de la cara de la válvula, al igual que el desgaste de la misma zona de forma acanalada2. Las piezas mencionadas en el párrafo anterior son recubiertas mediante diferentes métodos y técnicas, una de ellas es conocida como el rociado térmico o thermal spray, técnica apetecida en la industria debido a su facilidad y eficiencia de aplicación. El rociado térmico es un tratamiento de superficie empleado para recuperar y mejorar las propiedades superficiales del sustrato frente al desgaste, cavitación, oxidación, o corrosión. Este proceso consiste en la proyección a altas velocidades de un material calentado mediante un medio gaseoso hacia la superficie del sustrato, lugar donde el recubrimiento es aplicado3. A nivel nacional esta técnica

1 MURAT CINIVIZ et.al., Ceramic Coating Applications and Research Fields for Internal Combustion Engines [en línea]. En: Ceramic Coatings - Applications in Engineering. Febrero, 2012, p. 195-234. [consultado 16 de diciembre de 2014]. Disponible en Internet: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/29756.pdf 2 Análisis de Fallas de Válvulas [en línea]. Rafaela: Basso S.A. - Martín Oliver y Ruta 70 S [consultado 16 de diciembre de 2014]. Disponible en internet: http://www.bassoassist.com.ar/esrecom02.htm 3 GODOY, C.; BRANCO, J.R.T.; BATISTA, J.C.A.; LUIZ, E.C.; MAIA, B.T.. Análisis estadístico de dureza en revestimientos de 75% WC-Co + 25% aleación a base de níquel producidos por plasma atmosférico [en línea]. En: Información Tecnológica. 1999, vol. 10, no. 3, p. 52. [consultado 16 de diciembre de 2014]. Disponible en Internet: https://books.google.com.co/books?id=TZS2vAY9XlYC

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es conocida como metalización y la empresa Sager S.A. es una de las empresas líderes en aplicación de la misma, además, es una empresa distribuidora de la marca Eutectic-Castollin, empresa multinacional fabricante de equipos de soldadura y equipos de rociado térmico, entre otros. El desarrollo de este proyecto de investigación se llevó a cabo entre la empresa Sager S.A. y el Grupo de Ciencia e Ingeniería de Materiales, GCIM de la Universidad Autónoma de Occidente. Se realizó el recubrimiento de probetas de acero al Cr-Ni-Mn, material mediante el cual están construidas las válvulas de escape de un motor CUMMINS 350, con una aleación de cromo-níquel llamado Borotec 10009, mediante Eutalloy 85X, proceso derivado del rociado térmico por llama desarrollado por la empresa Eutectic-Castollin; se estudió las propiedades mecánicas y tribológicas del recubrimiento para determinar el comportamiento de éste frente al desgaste, al igual que su estabilidad térmica.

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1. ANTECEDENTES

El desgaste por abrasión ha sido un gran problema para la industria que ha estado presente desde hace mucho tiempo, este mecanismo actúa deformando plásticamente las superficies en contacto causando el deterioro de la pieza al igual que la disminución de su vida útil. En algunas aplicaciones este mecanismo de desgaste es empleado para la manufactura de algunas piezas, un claro ejemplo es el pulido de piezas mediante discos cuya dureza es mayor a la del material a pulir. Con el objetivo de disminuir el efecto del desgaste por abrasión sobre la superficie de las piezas, varias investigaciones han establecido que la aplicación de recubrimientos duros en la superficie de las piezas es una de las soluciones más acertadas, solución que ha sido empleada desde los años 70’ y cuyo mayor desarrollo se dio en los años 80’ y 90’4. Una de las técnicas más comunes que se emplean para la aplicación de recubrimientos es el rociado térmico. El estudio de los recubrimientos aplicados por medio de las diferentes técnicas de rociado térmico ha sido un aspecto de principal interés para las comunidades científicas y físicas, ya que estos ayudan a mejorar las propiedades de las superficies recubiertas permitiendo que presenten mayor resistencia frente a los diferentes mecanismos de desgaste como la corrosión, la abrasión y el desgaste adhesivo. Por otro lado, el aumento de la resistencia frente los mecanismos de desgaste ha sido la razón principal por la cual gran parte de las empresas que pertenecen a los diversos sectores industriales muestren gran interés en la aplicación de estos recubrimientos. Dentro de las numerosas investigaciones realizadas en el campo científico acerca de la aplicación de recubrimientos mediante rociado térmico sobre autopartes o elementos de motores de combustión interna, se destaca el estudio del comportamiento frente a la corrosión y abrasión de recubrimientos a base de tungsteno aplicados mediante HVOF sobre acero martensítico y una superaleación de Níquel, realizada por Baiamonte, Pulci, Hlede, Marra y Bartuli 5; el objetivo de esta investigación se basó en hallar un sustituto a los recubrimientos 4 GRANOBLES URBANO, Jean Pierre. ESTUDIO DE LA RESISTENCIA A LA EROSIÓN-CORROSIÓN DE LOS IMPULSORES DE UNA BOMBA WEMCO RECUBIERTOS POR ROCIADO TÉRMICO [en línea]. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingeniería, 2013. 51p. 5 Baiamonte, L., Pulci, G., Hlede, E., Marra, F., Bartuli, C. Thermal spray coatings for corrosion and wear protection of naval Diesel engines components [en línea]. En: La Metallurgia Italiana. Junio, 2014, no. 6, p. 9-13. [consultado 20 de enero de 2015] Disponible en Internet: http://www.fracturae.com/index.php/aim/article/viewFile/1402/1447

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aplicados mediante la técnica hard chrome plating que permitan incrementar la resistencia a la corrosión y abrasión de las válvulas de admisión y escape de un motor Diesel naval. La prueba de desgaste se realizó bajo las indicaciones de la ASTM G 77 y la prueba de resistencia frente a la corrosión se realizó en agua hirviendo con una adición de 5% de ácido sulfúrico. El resultado más significativo de la investigación es que el recubrimiento a base de WC-Co fue el que presentó los mejores resultados frente al desgaste por fricción y corrosión, ya que el porcentaje de pérdida de volumen presentado después de cada prueba fue el más bajo en comparación con los otros materiales. Otra investigación enfocada en la aplicación de recubrimientos duros en motores de combustión interna fue la realizada por Darut et all6, donde el objetivo principal fue la caracterización mecánica y tribológica de un recubrimiento a base de hierro aplicado mediante la técnica Transferred Wire Arc Spraying en bloques de motor fabricados en aluminio, para luego compararlos con las propiedades mecánicas y tribológicas de los bloques de motor construidos en hierro fundido. Para la caracterización de este recubrimiento se realizaron pruebas de difracción de rayos x, la interfaz sustrato-recubrimiento se analizó mediante microscopía electrónica de barrido y la resistencia al desgaste se realizó mediante la prueba de Cameron Plint, empleando diferentes lubricantes. En esta investigación se encontró que la disminución del coeficiente de fricción del recubrimiento está influenciado por la temperatura, el tipo de lubricante y las condiciones de la superficie, además se halló que al someter el recubrimiento a un proceso de granallado, incrementó la adherencia del recubrimiento al sustrato. Por último, en el año 2012 los ingenieros Priyan y Hariharan7 realizaron el estudio de las propiedades tribológicas de un recubrimiento a base de hierro aplicado mediante HVOF sobre un sustrato de hierro fundido, y compararon los resultados con las propiedades tribológicas del sustrato; en esta investigación el análisis de la micro estructura y el desgaste micro abrasivo se realizó mediante microscopía óptica, la caracterización química del recubrimiento se realizó mediante difracción de rayos x y la resistencia al desgaste fue estudiada mediante la prueba de micro abrasión según la normatividad de la ASTM G77 bajo la configuración anillo sobre bloque. El resultado más relevante de esta investigación fue que el recubrimiento presentó resultados relevantes frente al mecanismo de abrasión de tres cuerpos, 6 G. DARUT, et al. Steel coating application for engine block bores by Plasma Transferred Wire Arc spraying process [en línea]. En: Surface and Coatings Technology. Abril, 2015, p. 115-122. [consultado 20 de enero de 2015] Disponible en Internet: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0257897214010068 7 PRIYAN, M.Shunmuga. HARIHARAN, P. The study on tribology and surface interface characterization of Fe based alloy coating deposited by HVOF method [en línea]. En: Procedia Engineering. 2012, vol. 38, p. 3741-3756. [consultado 20 de enero de 2015] Disponible en Internet: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705812023430

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empleando partículas de diamantes para la prueba; se observó una mejora importante en el coeficiente de fricción del recubrimiento en comparación con el del sustrato, ya que el porcentaje de pérdida de volumen durante la prueba de desgaste por fricción se redujo aproximadamente en un 80%.

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2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN A nivel mundial, el rociado térmico es aplicado en diferentes sectores industriales, cómo la industria petrolera, de generación de energía, de papel, el sector automotriz, la industria aeronáutica, de acero, metalmecánica, entre otras; la aplicación de ésta técnica se realiza con el objetivo de recuperar una pieza dañada debido a un mecanismo de desgaste e incrementar su vida útil, al igual que aumentar el periodo de reparación de la máquina a la cual pertenece la pieza recubierta. A nivel nacional la técnica de rociado térmico es conocida como proceso de metalización, ya que los primeros materiales utilizados fueron metales, y tiene como objetivo recuperar las zonas afectadas en la pieza debido a los mecanismo de desgaste y recuperar su geometría. La empresa Sager S.A. ofrece este proceso a la industria, y se considera como una de las empresas de mayor competitividad en el campo de aplicación de recubrimientos mediante soldaduras especiales; en la actualidad esta técnica ha ganado aceptación en los ingenios azucareros y papeleros pertenecientes al Valle del Cauca, donde se evalúa el desempeño de algunos componentes mecánicos recubiertos8. Uno de los sectores que utiliza ampliamente él rociado térmico es el sector automotriz, especialmente en la rectificación y reparación de motores; lo anterior se ve reflejado en algunas partes de los motores de combustión interna como cilindros, anillos de pistones y válvulas, que se ven sometidos a diferentes tipos de desgaste como abrasión, corrosión y erosión. Los fenómenos de desgaste presentes en las válvulas de escape de los motores de combustión interna han incrementado el proceso de rectificación para recuperar los motores a gas, diésel y gasolina, donde la vida útil de las válvulas se ve afectada si no se siguen los procedimientos adecuados9. En esta investigación se busca, mediante el proceso de rociado térmico, incrementar la vida útil de esta pieza con el fin de disminuir la periodicidad de rectificación del motor y aumentar la duración de funcionamiento del mismo. Cuando se realiza el proceso de rectificación o reparación de un motor de combustión interna, se cambian las piezas desgastadas por piezas nuevas sin recubrir, en lugar de cambiarlas por piezas nuevas con recubrimientos que le 8 GRANOBLES, Op. cit. p. 35-47 9 WIDMAN, Richard. Mantenimiento de motores de autos convertidos a GNC o GLP [en línea]. Widman International [consultado el 25 de enero de 2015]. Disponible en internet: www.mantenimientomundial.com/sites/mm/notas/gnc.pdf

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permitan a la válvula presentar mayor resistencia al desgaste y por lo tanto aumentar la vida útil del motor. Uno de los motivos por los que no se aplican los recubrimientos a piezas nuevas, es el desconocimiento de sus propiedades y la adherencia del recubrimiento al sustrato, a pesar de que existen estudios sobre las propiedades y el desempeño de algunos recubrimientos a base de materiales cerámicos o metálicos aplicados en algunas piezas de los motores10. Surge entonces la pregunta principal que se pretende responder con esta investigación: ¿Presenta el recubrimiento Borotec, aplicado sobre un acero utilizado para fabricar válvulas para motores diesel, propiedades mecánicas y tribológicas apropiadas para aumentar la vida útil de la válvula frente al desgaste?

10 HEJWOWSKI, T. Comparative study of thermal barrier coatings for internal combustion engine [en línea]. En: Vacuum. Noviembre, 2010, vol. 85, p. 610-616 [consultado el 25 de enero de 2015]. Disponible en Internet: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042207X10002708

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3. JUSTIFICACIÓN En la actualidad, las piezas recubiertas mediante la técnica de rociado térmico presentan grandes ventajas con respecto a piezas no recubiertas. Una de las principales ventajas es la mejora de las propiedades superficiales, brindando una mejor durabilidad del elemento y disminuyendo la probabilidad de falla del elemento debido a algún fenómeno externo. Cabe destacar, que esta técnica permite la proyección de una amplia gama de materiales para construir cualquier tipo de recubrimiento, por lo tanto, la versatilidad y facilidad de aplicación de este proceso es una ventaja fundamental frente a las demás técnicas de aplicación de recubrimientos. Durante el proceso de combustión se forman depósitos debido a las partículas contaminantes del combustible y debido a la reacción de los productos de la combustión con el material de construcción de las válvulas de escape. Estos depósitos se incrustan en la cara del asiento de la válvula de escape, sometiendo a la válvula de escape a desgaste continuo por deslizamiento y por abrasión durante el proceso de apertura y cierre de la misma; desgaste se ve incrementado debido a las altas presiones desarrolladas durante el proceso de combustión. El desgaste descrito genera una holgura entre la válvula de escape y el asiento, causando que el motor pierda eficiencia mecánica debido a las pérdidas de presión asociadas al escape de la mezcla presurizada, aire-combustible, a través de la holgura generada. Debido a lo anterior, se planteó aplicar del recubrimiento Borotec por rociado térmico en la cara de contacto de la válvula de escape, para aumentar las propiedades superficiales de la misma y aumentar la resistencia al desgaste por contacto y por abrasión. Así mismo, se buscará disminuir la periodicidad de rectificado de la válvula de escape. En este proyecto, se determinaron las propiedades mecánicas y tribológicas, y la estabilidad térmica del recubrimiento Borotec, aplicado por la técnica de rociado térmico por llama sobre un acero al Cr-Ni-Mn, empleado para la fabricación de válvulas de escape para motores diesel. Esta actividad demanda tiempo y personas dedicadas a estas labores y generalmente las empresas no cuentan con el tiempo disponible para realizar los estudios de forma paralela con la producción, es por eso que mediante la alianza Universidad-Industria se busca solucionar en gran parte esta dificultad. El grupo GCIM de la UAO, realizó la investigación en lo relacionado con el análisis de las propiedades mecánicas y tribológicas del recubrimiento Borotec aplicado en un

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acero al Cr-Ni-Mn, contribuyendo así al desarrollo industrial local. Por otro lado, el resultado de esta investigación beneficiará a las empresas que emplean la técnica de rociado térmico para la recuperación de piezas desgastadas debido a cualquier tipo de fenómeno de desgaste, además, se contribuirá a la innovación y al estado del arte de investigaciones sobre recubrimientos duros.

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4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERAL Analizar las propiedades mecánicas y tribológicas y la estabilidad térmica del recubrimiento Borotec aplicado sobre acero para la fabricación de válvulas para motores diesel, para determinar la viabilidad de aplicación en las válvulas mediante la técnica de rociado térmico por llama. 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar el tipo de acero utilizado para la fabricación de válvulas para

motores Diésel mediante espectrometría de emisión atómica. Identificar la microestructura del recubrimiento Borotec mediante microscopía

óptica y microscopía electrónica de barrido (SEM) y (EDS). Determinar las propiedades mecánicas, tribológicas, y la adherencia del

recubrimiento. Determinar la estabilidad térmica del recubrimiento mediante termogravimetría

(TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC).

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5. MARCO TEÓRICO 5.1. ROCIADO TÉRMICO El rociado térmico es un término que hace referencia a un conjunto de procesos empleados para la aplicación de recubrimientos metálicos y no metálicos mediante equipos especiales sobre un sustrato. El equipo calienta el material hasta la temperatura de fusión o semi-fusión mediante diferentes fuentes de calor como arco eléctrico, combustión de gases o arco de plasma, luego el material caliente es pulverizado y proyectado hacia la superficie del sustrato mediante gases de alta presión. La materia prima de estos procesos, el material del recubrimiento, puede estar en forma de polvo, varilla o alambre, dependiendo del proceso a emplear. Las partículas impactan en la superficie del sustrato y se adhieren por medio de un anclaje mecánico formando finas capas de material, para luego consolidar la formación del recubrimiento; la adhesión entre el substrato y recubrimiento puede ser mecánica, metalúrgica, química o una combinación de estas11. Figura 1: Proceso de Rociado térmico

Fuente: What is Thermal Spray? [en línea]. Thermal Spray Solutions. [consultado 10 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: http://www.thermalsprayusa.com/thermal-spray-101/what-is-thermal-spray Una de las ventajas que presentan los procesos que constituyen al rociado térmico es que se pueden proyectar una amplia gama de materiales, por lo tanto, se

11 GRANOBLES, Op. cit. p. 16.

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pueden construir recubrimientos metálicos, cerámicos y materiales compuestos. Además, la variación de los parámetros de proceso permite mejorar las propiedades del material depositado al igual que la eficiencia del proceso empleado12. 5.2. ROCIADO TÉRMICO POR COMBUSTIÓN Existen tres técnicas que emplean la energía de la combustión para fundir el material de aporte. 5.2.1. Rociado térmico por llama. Esta técnica fue el primer proceso de rociado térmico desarrollado en 1910. Generalmente se emplea acetileno y oxígeno para lograr la energía requerida para la fusión de la materia prima a ser proyectada; en algunos casos se emplean otros gases para el proceso de combustión como el propano o el acetileno. Materiales como metales, cerámicos, polímeros o carburos pueden ser proyectados mediante esta técnica, alcanzando velocidades de hasta 80 m/s previo al impacto con el sustrato. Mediante esta técnica se obtienen recubrimientos de exigencias limitadas, generalmente son aplicados en máquinas de baja velocidad y que presenten bajas cargas dinámicas13. 5.2.2. Rociado térmico por llama supersónica (HV). Se le conoce como proceso de llama supersónica debido a que la velocidad que alcanza la llama que funde la materia prima posee un número de Mach superior a la unidad. Los gases empleados para la combustión son el propileno, hidrogeno o kerosén junto con aire u oxígeno. Los recubrimientos obtenidos mediante esta técnica presentan una mayor densidad y un menor contenido de óxidos en comparación con los recubrimientos de llama subsónica, es decir, se obtiene recubrimientos de alta calidad. Los materiales que pueden ser proyectados son los siguientes: aceros al carbono e inoxidables, bronce, aluminio y babbitt14.

12 DAVIS, Joseph R. y DAVIS & ASSOCIATE. Handbook of thermal spray technology [en línea]. ASM International, 2004. p. 3 [consultado 10 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: https://books.google.de/books/about/Handbook_of_Thermal_Spray_Technology.html?hl=de&id=S0PryYc9T70C 13 Procesos de rociado térmico por combustión [en línea]. Plasmatec Ingenieros. [consultado 10 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: http://www.plasmatec.com.ve/index.php/descripcion-tecnologica/procesos-de-rociado-termico-por-combustion.html 14 Ibíd., Disponible en Internet: http://www.plasmatec.com.ve/index.php/descripcion-tecnologica/procesos-de-rociado-termico-por-combustion.html

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5.2.3. Rociado térmica por llama hipersónica (HVOF). Este proceso es conocido como proceso de llama hipersónica ya que este proceso posee un número de mach igual a 4. El proceso HVOF emplea una combinación de gases incluyendo el hidrogeno, propano, propileno y algunas veces kerosene para el proceso de combustión; la elevada presión a la que se encuentra los gases es lo que permite que el material propulsado alcance velocidades muy altas, 1400 m/s15. Los recubrimientos obtenidos por HVOF son muchos más densos que cualquier otro recubrimiento obtenido por una técnica diferente de rociado térmico, además, bajo porcentaje de porosidad y presenta buenas características de adhesión al sustrato16. 5.3. ROCIADO TÉRMICO POR ARCO ELÉCTRICO En el proceso de arco dos electrodos consumibles en forma de varilla, construidos con el mismo material del recubrimiento a proyectar, se conectan a una fuente de corriente directa de alta intensidad, produciendo un arco eléctrico entre los elementos que funde el material a proyectar para luego ser proyectado hacia la superficie del sustrato debido a una corriente de aire, la figura 2 muestra el proceso mencionado. Una característica de este proceso es la eficiencia de transferencia de calor al material del recubrimiento ya que gran porcentaje de la energía eléctrica consumida se convierte en energía calórica. Por último, este proceso puede ser llevado a cabo empleando gases inertes o en ambientes controlados17.

15 What is Thermal Spray?. Ohio: International Thermal Spray Association. [consultado 13 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: http://www.mecpl.com/pdf-files/what%20is%20thermal%20spray.pdf 16 DAVIS, Joseph R. y DAVIS & ASSOCIATE, Op. cit. p. 5. 17 DAVIS, Joseph R. y DAVIS & ASSOCIATE, Op. cit. p. 5.

27

Figura 2: Esquema rociado térmico por arco eléctrico

Fuente: Procesos de metalizado [en línea]. Oficios técnicos [consultado 13 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: http://www.tecnoficio.com/soldadura/procesos_de_metalizado.php 5.4. PROCESO DE EUTALLOY El equipo empleado para el proceso de eutalloy, figura 3, emplea como fuente de energía la llama producida por la combustión entre oxígeno y acetileno, y la materia prima se encuentra en forma de polvo. “Una pequeña cantidad del oxígeno es desviada a un Venturi para producir la succión necesaria para introducir el polvo desde un depósito colocado en la misma antorcha, esta alimentación es controlada con una válvula manual”18. El polvo es conducido por la llama producida en el soplete oxiacetilénico, para luego ser proyectado, en un estado semi-fundido, a la superficie precalentada del sustrato; el sustrato es precalentado por la llama producida por el soplete, y la ventaja de precalentar el sustrato es que permite que el particulado semi-fundido se funda por completo en la superficie del sustrato, permitiendo que el material proyectado penetre por difusión, generando una unión metalúrgica. El Eutalloy es un proceso que fue diseñado para la aplicación de recubrimientos protectores en elementos de máquinas y herramientas, que estén sujetas a algún fenómeno de desgaste. Mediante esta técnica se pueden obtener recubrimientos desde 0,1 mm en delante de cualquier material, metálicos o cerámicos, además,

18 GRANOBLES, Op. cit. p. 18.

28

los recubrimientos obtenidos son homogéneos, libre de porosidades y poseen una excelente fuerza de enlace19.

Figura 3: Equipo de Eutalloy

Fuente: Eutalloy Thermal Spray Alloys [en línea]. Castolin Corporation, 2008 [consultado 13 de febrero de 2015]. Disponible en internet: http://www.castolin.com/sites/default/files/product/downloads/Eutalloy-Powders-Brochure.pdf En el siguiente cuadro20 se presentan algunos datos técnicos del proceso eutalloy y algunas características del recubrimiento obtenido por esta técnica. Cuadro 1. Parámetros técnicos de eutalloy

Datos Técnicos

Parámetro Valor Tmax (°F) (°C) 5792 - 3200

Tasa de deposición (g/s) 0,55-1,66 Nivel de ruido (dB) 70-80

Espesor (mm) 0,05 - 10 Materiales en polvo de

recubrimiento Níquel, Cobalto y

Hierro 19 Eutalloy Thermal Spray Alloys [en línea]. Castolin Corporation, 2008 [consultado 13 de febrero de 2015]. Disponible en internet: http://www.castolin.com/sites/default/files/product/downloads/Eutalloy-Powders-Brochure.pdf 20 Ibíd., Disponible en Internet: http://www.castolin.com/sites/default/files/product/downloads/Eutalloy-Powders-Brochure.pdf

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5.5. RECUBRIMIENTO Recubrimiento o revestimiento, es un material que es aplicado en la superficie de un objeto o sustrato. El propósito de aplicar el recubrimiento puede ser por motivos de decoración o por motivos funcionales, es decir, aumentar las propiedades superficiales de un objeto en específico, protegerlo frente algún mecanismo de desgaste o para recuperar su geometría inicial. Para este trabajo, es el recubrimiento que se empleó para mejorar la resistencia al desgaste por contacto del acero al Cr-Ni-Mn. Este recubrimiento es el Borotec 10009, una aleación dura a base de níquel, cromo, boro, silicio y hierro. Cuadro 2. Composición química del recubrimiento cerámico Borotec 10009

Elemento Masa (%) Níquel 60 a 80 Cromo 10 a 30 Boro 15,2

Hierro 3,80 Silicio 3,20

Carbono 3,5 5.6. TIPOS DE RECUBRIMIENTOS La aplicación de diferentes tipos de materiales en la superficie de diferentes sustratos mediante la técnica de rociado térmico es una de las grandes ventajas que posee este proceso, ya que permiten obtener recubrimientos para situaciones específicas, es decir, revestimientos protectores frente a medios corrosivos, recubrimientos que funcionen como barreras térmicas, recubrimientos que aumenten la resistencia frente a los diferentes mecanismos de desgaste como abrasión, erosión, entre otros. El cuadro 3, muestra algunos de los tipos de recubrimientos que pueden ser obtenidos por las técnicas de rociado térmico.

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Cuadro 3. Recubrimientos obtenidos por rociado térmicos Tipo21 Descripción Material

Recubrimiento resistente al

desgaste

Recubrimientos resistentes a los diferentes mecanismos de desgaste como adhesión, abrasión, erosión, cavitación y "fretting. Materiales como cerámicos, metales, carburos y óxidos metálicos, son comúnmente utilizados para generar este tipo de recubrimientos.

Carburo de Tungsteno, Óxido de Aluminio, Carburo de cromo y Óxido de cromo.

Recubrimiento resistente a la

corrosión

Son aquellos recubrimientos empleados para aumentar la resistencia de las piezas expuestas a la intemperie o en medios corrosivos. Este tipo de revestimientos se aplica generalmente en aleaciones a base de hierro.

Aleación de acero, aleación de Ni-Cr y Co-Cr, Óxidos cerámicos y cermets.

Conductividad eléctrica

Generalmente se emplean este tipo de recubrimientos para aumentar la conductividad eléctrica de un material. En algunos casos se busca la aplicación de materiales cuya susceptibilidad a la temperatura sea mínima con el fin de que no varíe la conductividad eléctrica.

FeCrAl, cobre, aluminio, molibdeno y di siliciuro de molibdeno

Barreras térmicas

Uno de los recubrimientos más empleados, generalmente se aplican en la zona de combustión de las turbinas. El objetivo de este tipo de recubrimientos es reducir la temperatura a la cual está expuesta una pieza en algún proceso de combustión u otro.

Óxidos cerámicos como la zirconia estabilizada con ytrio

5.7. DESGASTE El desgaste, al igual que el fenómeno de corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales. El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por materiales en contacto debido a determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. El resultado del desgaste es el desprendimiento y remoción de material, disminución de la tolerancia de la pieza y de la dimensión.

21 Thermal Spray Coatings [en línea]. Wisconsin: TST & Fisher Barton, 2015 [consultado 16 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: http://www.tstcoatings.com/types-of-coatings.html

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Los daños más frecuentes por desgaste se deben a la deformación plástica, formación y propagación de grietas, y corrosión22. Los diferentes mecanismos de desgaste son los siguientes: desgaste por fatiga, desgaste abrasivo, desgaste adhesivo, desgaste corrosivo y erosivo. 5.7.1. Desgaste abrasivo. Según la norma ASTM G40-92 el desgaste abrasivo se define como la pérdida de masa debido a la interacción forzada entre las asperezas duras de dos superficies. Este mecanismo de desgaste difiere con el mecanismo de desgaste por contacto en el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados, es decir, se presenta más desgaste en el abrasivo. Existen dos tipos de desgaste abrasivo, desgaste de dos cuerpos y desgaste de tres cuerpos. En la abrasión de dos cuerpos el desgaste es provocado por las rugosidades duras pertenecientes a la superficie de contacto, por otro lado, el desgaste en la abrasión de tres cuerpos es provocado por partículas duras suspendidas entre las superficies en contacto, debris23. 5.7.2. Desgaste adhesivo. La adhesión está asociada con la formación y rompimiento de enlaces adhesivos entre las superficies en contacto debido al movimiento relativo entre éstas, causando la generación de debris o partículas en suspensión que pueden provocar desgaste por adhesión, todo depende de la dureza de éstas. Por otro lado, este mecanismo de desgaste conlleva a la formación de microsoldaduras en frío de las superficies24. 5.7.3. Desgaste por deslizamiento (Scuffing). El desgaste por deslizamiento es aquel en el que hay movimiento relativo entre dos superficies en contacto con una carga aplicada, éste es uno de los mecanismos de desgaste más complejos ya que éste involucra otros mecanismos como la adhesión, formación y crecimiento de grietas sub-superficiales por fatiga, y abrasión.

22 MESA GRAJALES, Dairo Hernán. Desgaste de materiales [en línea]. Pereira: Universidad Tecnológica de Pereira [consultado 24 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf 23 Ibíd., p. 1. 24 ESTUDIO TRIBOLÓGICO DE FRICCIÓN Y DESGASTE DE CAPAS DE LA ALEACIÓN NIP. (2008: Barcelona, España). Memoria. Barcelona: Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, 2008. p. 15.

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Durante el desgaste por deslizamiento la tasa de desgaste puede variar debido a la influencia de la carga, velocidad de deslizamiento, distancia de deslizamiento, temperatura, entre otras. Cuando aumenta la carga normal, el desgaste moderado pasa a ser desgaste severo debido a la ruptura de la película de óxido formado durante el desgaste moderado. Por encima de esta transición, el desgaste aumenta linealmente con la carga hasta que ocurre una segunda transición donde el desgaste vuelve a ser moderado. Por último, a causa de la segunda transición se forma una nueva película de óxido cuya estructura difiere de la estructura formada por el óxido en el desgaste moderado debido a las altas temperaturas de contacto25. 5.8. PRUEBA DE PIN ON DISK Prueba empleada para medir la tasa de desgaste, la pérdida de masa debido al desgaste y, el coeficiente de fricción entre superficies en movimiento relativo. El desarrollo del ensayo está en función de varios parámetros como el acabado superficial de la probeta, la limpieza de la probeta, la carga normal a aplicar durante el ensayo, la velocidad de deslizamiento, la distancia de deslizamiento y el balín ( par tribológico). Éste último es uno de los factores más importantes ya que los resultados están ligados al material de cada elemento (probeta y balín). Por último, la probeta se pesa antes y después del ensayo, con el objetivo de medir la pérdida de masa. La máquina para llevar a cabo la prueba de desgaste es conocido como tribómetro, ver figura 4. Figura 4: Tribómetro. Laboratorio grupo GCIM.

, 25 MESA GRAJALES, Op. cit., p. 11.

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5.9. ESTABILIDAD TÉRMICA La estabilidad térmica es la resistencia que presenta un material a sufrir cambios irreversibles en sus propiedades químicas y físicas cuando es sometido a altas temperaturas. Se establece que una sustancia es térmicamente estable cuando la temperatura de todos los puntos del espécimen no difiere en más de 3°C26. 5.10. TERMOGRAVIMETRÍA Es una técnica en la que el peso de una muestra se mide en función de la temperatura, al tiempo que se somete a un régimen de calentamiento controlado. El instrumento empleado en termogravimetría (TG) es la termobalanza; esta última está conformada por una balanza de precisión, un horno controlado mediante un programador de temperatura y un registrador de datos ver figura 5. El porta muestras se encuentra dentro del horno, suspendido directamente de la balanza. Figura 5: Termobalanza, laboratorio de Análisis Térmico de la Universidad Autónoma de Occidente.

26 DOMINGUEZ TELLO, Antonio. Determinación de la estabilidad térmica de compuestos de policloruro de vinilo con el método Rancimat [en línea]. COGITI, 2009 [consultado 10 de mayo de 2015]. Disponible en Internet: http://www.tecnicaindustrial.es/tifrontal/a-2744-Determinacion-estabilidad-termica-compuestos-policloruro-vinilo-metodo-Rancimat.aspx

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La técnica se puede desarrollar empleando atmosferas específicas como argón, helio, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno. Por otro lado, la prueba TGA sólo permite detectar procesos como descomposiciones, sublimaciones, reducción, absorción, entre otros (proceso que causan variación de la masa de la muestra), mientras que, no permite estudiar procesos como fusiones, transiciones de fase, etc. 5.11. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO Técnica experimental que permite determinar la cantidad de calor que absorbe o libera una sustancia cuando es mantenida a temperatura constante durante un tiempo determinado, o cuando se calienta o se enfría a velocidad constante en un determinado intervalo de temperatura. Permite estudiar la estabilidad térmica de un material y las temperaturas de transición del mismo durante la prueba. Además se puede realizar el estudio de aquellos procesos en los que se produce una variación entálpica; determinar calores específicos de la muestra; puntos de ebullición y fusión; pureza de compuestos cristalinos; entalpías de reacción y determinación de transiciones de primer y segundo orden. El DSC, ver figura 6, regularmente trabaja en conjunto con un controlador y un software asociado que caracteriza el sistema de análisis térmico Figura 6: Calorímetro de barrido diferencial, laboratorio de Análisis Térmico de la Universidad Autónoma de Occidente.

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6. DETALLES EXPERIMENTALES 6.1. OBTENCIÓN DE PROBETAS Luego de adquirir las válvulas de escape de la marca comercial MAHLE para motores diesel CUMMINS 350; el criterio de selección del tipo de motor, fue el tamaño de la válvula; se realizó análisis químico a las válvulas en las instalaciones del ASTIN-SENA, con el objetivo de hallar la composición química del material y conseguir un acero equivalente que obtuviera los porcentajes químicos aproximadamente iguales. Los resultados obtenidos en el análisis químico indicaron que el material cuya composición química se asemejaba a la composición de las válvulas fue un acero DIN de la serie X70, un acero especial de importación. Por lo anterior se emplearon como sustratos válvulas de acero al Cr-Ni-Mn, cuya composición química se presenta en el anexo 1 del documento. Se fabricaron probetas de 29 mm diámetro y espesor de 6 mm, primero se cortó el vástago de la válvula empleando una cortadora de precisión y luego se rectificó la superficie en un torno mod. A. 72, que se muestra en la figura 7. Figura 7: Torno mod. A. 72. Laboratorio de manufactura UAO.

6.2. PREPARACIÓN SUPERFICIAL Previo a la aplicación del recubrimiento mediante proceso Eutalloy se llevaron a cabo los siguientes procesos:

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Limpieza superficial con alcohol industrial, para eliminar rastros de

impurezas y grasas.

Precalentamiento de la probeta con la antorcha del equipo eutalloy hasta 200°C, para eliminar la humedad.

6.3. PARAMETROS DE ROCIADO TÉRMICO El recubrimiento de las probetas se realizó en el taller de la empresa Sager S.A., se empleó una pistola modelo Superjet Alloy que se presenta en la figura 8, para propulsar el material en forma de polvo y realizar el recubrimiento. Los parámetros del proceso se muestran en el cuadro 4. Figura 8: Pistola Superjet Alloy

Cuadro 4. Parámetros del proceso de termo rociado

Variable Valor T llama (°C) 1000

Presión C2H2 (Psi) 5 Presión O (Psi) 35

Flujo de polvo (kg/h) 2 a 6 Angulo de deposición (°) 90

Espesor recubrimiento (mm) 1 a 1,2

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Una vez terminado el proceso de recubrimiento, se dejan enfriar las probetas al aire libre; no se empleó refrigerante líquido como agua o aceite para evitar templar la probeta recubierta. Figura 9: Probetas de acero Cr-Ni-Mn, recubiertas con Borotec

6.4. CARACTERIZACIÓN DEL RECUBRIMIENTO Para caracterizar los recubrimientos se hicieron diferentes ensayos que se presentan a continuación; previo a cada ensayo se realizó la respectiva preparación de probetas. 6.4.1. Preparación probetas para análisis de micro estructura. Se desbastó la superficie recubierta empleando varias lijas como elemento de desgaste cuya granulometría varió de 240 a 1200. Luego, se pulió la superficie de las muestras mediante un equipo de desbaste que permite obtener un acabado tipo espejo. El equipo fue una pulidora metalográfica Phoenix Beta-2 de la marca comercial Buehller, éste está conformado por un plato giratorio que emplea lijas de carburo de silicio como medio de desbaste, se empleó una solución de alúmina como abrasivo. Por último, se atacó la superficie pulida con el reactivo agua regia, una solución de color amarillo y altamente corrosiva, formada por la mezcla de ácido nítrico concentrado y ácido clorhídrico concentrado en la proporción de una a tres partes en volumen, respectivamente. El reactivo permitió la revelación de la micro estructura del recubrimiento. Este procedimiento se llevó a cabo calentando la superficie atacada, para acelerar el proceso de revelación de la microestructura. 6.4.2. Microscopía óptica. Para observar la microestructura se empleó un microscopio marca Olympus modelo PME3 - 313. El microscopio tiene un rango de aumento entre 50 y 500.

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6.4.3. Preparación probeta para microdureza. Se realizó un corte a las probetas recubiertas para obtener la sección transversal del recubrimiento y el sustrato, en un solo plano. Para llevar a cabo este proceso se empleó una cortadora de precisión Buehler 95C-1700-160 que se observa en la figura 11; el corte obtenido mediante esta máquina es limpio, de alta precisión y no genera desprendimiento del recubrimiento respecto al metal base. Posteriormente la probeta se embebió en baquelita, para fácil manipulación. El proceso de deposición fue el siguiente: se ubicó la probeta en un recipiente cilíndrico metálico; se vertió la baquelita en forma de polvo en este recipiente; se compactaron los elementos ubicados en el recipiente a una presión constante de 3500 Psi empleando una prensa hidráulica; mediante una resistencia eléctrica se calentó el recipiente metálico hasta llegar a una temperatura de 145 °C, para fundir la baquelita, y lograr que ésta adopte la forma del recipiente; por último, se retiraron las piezas del montaje y se dejó enfriar la probeta a temperatura ambiente. Figura 10: Probetas embebida de baquelita

Después de realizar el montaje en baquelita, se realizó el mismo proceso de pulido empleado para la preparación de la probeta destinada al análisis de la microestructura. 6.4.4. Dureza Vickers (HV): Perfil de microdureza. La medición de la microdureza se realizó empleando un durómetro Identec ZHV, los parámetros empleados se muestran en el cuadro 5. El perfil se obtuvo realizando cinco indentaciones en la sección transversal de la probeta, las indentaciones se realizaron desde el sustrato hasta el recubrimiento duro, pasando por la interfaz; este procedimiento se realizó tres veces, obteniendo un total de 15 medidas. Para esta prueba de microdureza, la medida de las diagonales de la huella del indentador fueron necesarias para calcular el valor de esta propiedad.

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Cuadro 5. Parámetros dureza Vickers

Variable Valor Carga (kgf) 0,5 Tiempo (s) 20

Indentador Punta

diamante 136 °

Figura 11: Durómetro Identec ZHV

6.4.5. Medición de rugosidad (Ra). La medición de la rugosidad de las probetas recubiertas y sin recubrir se realizó empleando un rugosímetro Rugosurf. Esta medida es necesaria para cumplir con la norma de la prueba de desgaste ASTM G99. 6.4.6. Prueba de resistencia al desgaste. Se empleó la prueba de desgaste en seco pin-on-disk, para obtener el coeficiente de fricción de las probetas recubiertas y sin recubrir. Para llevar a cabo este ensayo se empleó un tribómetro MicroTest y los datos del valor del coeficiente de fricción fueron registrados empleando el software MT 40001-98, vinculado al equipo. Los parámetros escogidos para llevar a cabo el ensayo, según la norma ASTM G99: “Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus”, se muestran en el cuadro 6.

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Cuadro 6. Parámetro ensayo pin-on-disk

Variable Valor Acabado superficial Rectificado

Recorrido (m) 2000 Velocidad (rpm) 200

Carga (N) 10 Radio pista (mm) 9

Diámetro del balín (mm) 4 La norma ASTM G99 no establece el valor de la carga que debe aplicarse durante el ensayo de desgaste para diferentes materiales, por lo tanto, se decidió realizar la prueba con la máxima carga que puede ser aplicada en el tribómetro empleado, para desarrollar esfuerzos de contacto de gran magnitud ya que tanto el recubrimiento como el metal base presentan elevada dureza. 6.4.7. Microscopía electrónica de barrido (MEB). La MEB se aplicó a la pista obtenida después del ensayo de pin-on-disk, para observar los diferentes mecanismos de desgaste desarrollados durante la prueba en las probetas recubiertas y sin recubrir. Además, se obtuvieron imágenes de alta resolución de la sección transversal recubrimiento/sustrato. Adicionalmente, se empleó EDS para estudiar la composición química del recubrimiento. Se realizó el estudio a diferentes aumentos para obtener un análisis más detallado. 6.4.8. Prueba de rayado (Scratch Test). El desarrollo de la prueba se realizó en la superficie del recubrimiento y en la zona transversal de las probetas recubiertas, empleando un scratch tester Microtest. Este ensayo se llevó a cabo para determinar la adhesión del recubrimiento al sustrato. La prueba de rayado superficial se ejecutó mediante la norma ASTM G171: Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus, y el rayado transversal se realizó bajo la metodología explicada en la norma ISO 27307: “Evaluation of adhesion/cohesion of thermal sprayed ceramic coatings by transverse scratch testing”. Los parámetros empleados para la ejecución de la prueba se muestran en el cuadro 7.

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Cuadro 7. Parámetros prueba de rayado superficial

Variable Valor Rayado Superficial - ASTM G171

Carga Variable (N) 0 a 90 Distancia (mm) 5

Numero de ensayos 3 Velocidad de rayado (mm/min) 3

Rayado Transversal - ISO 27307 Carga Constante (N) 15, 20, 30 y 40

Distancia (mm) 5 Velocidad de rayado (mm/min) 3

Numero de ensayos 4 6.4.9. Estabilidad térmica. La estabilidad térmica del recubrimiento se evaluó mediante los ensayos TGA y DSC. Se efectuaron cuatro ensayos empleando la técnica TGA; en los primeros tres ensayos se emplearon atmosferas diferentes (He, Ni, y Ar) y el cuarto ensayo se realizó bajo los efectos de un imán permanente en una atmosfera de Nitrógeno. Se hicieron dos ensayos DSC. Los parámetros empleados para realizar cada prueba se muestran en el cuadro 8. Cuadro 8. Parámetros TGA y DSC

Variable TGA DSC Tasa Calentamiento (°C/min) 10 Masa (mg) 3,4 T. inicial (°C) 25 T. final (°C) 900 550 Atmosfera He, Ni y Ar Aire Número de pruebas 4 2

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7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En esta sección, las probetas no recubiertas fueron nombradas sustratos y las probetas recubiertas fueron nombradas recubrimientos. 7.1. DUREZAS Se tomó dureza Rockwell C superficial del sustrato y del recubrimiento cerámico; los valores se emplearon como medio comparativo entre las propiedades mecánicas de los elementos analizados. En el núcleo de la válvula se presentó la dureza más baja y se incrementó hacia el exterior como se aprecia en la figura 14; esta variación de la dureza se debe a que las piezas se fabrican por proceso de forjado y luego se le realiza un tratamiento de temple superficial, para incrementar la resistencia a la deformación superficial por contacto Figura 12: Variación de la Dureza superficial (HRC) del sustrato

Se compararon las durezas de la indentación 4, con la dureza del recubrimiento, de un milímetro de espesor, porque la superficie de la válvula experimenta el flujo de los gases de combustión y está en contacto con el asiento de la válvula. El cuadro 9 presenta los valores de dureza de los elementos analizados.

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Cuadro 9. Dureza Rockwell C: Sustrato y recubrimiento

Dureza Rockwell C (HRC) Indentación Sustrato Recubrimiento

1 34,6 61,8 2 33,5 61,9 3 33 60,5 4 33,4 60,2

Promedio 33,6 61,10 1 Desv.

Estandar 0,68 0,88 Gráfico 1. Dureza Rockwell C: sustrato y recubrimiento.

La dureza del sustrato fue inferior a la del recubrimiento; la alta dureza del recubrimiento se debe a que el Borotec contiene carburos de boro, carburo covalente cuya dureza en la escala de Mohs es de 9,49727, además el módulo de Young de materiales cerámicos es mayor al módulo de elasticidad de los materiales metálicos, por lo tanto, los primeros presentan alta resistencia a la deformación y presentan mayor dureza. Se observó homogeneidad en la dureza 27

Carburo de boro, Estructura cristalina, Propiedades [en línea]. Docsetools [Consultado 20 de Mayo de 2015]. Disponible en internet: http://docsetools.com/articulos-utiles/article_104423.html

34,6 33,5 33 33,4

61,8 61,9 60,5 60,2

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4

Du

reza

Ro

ckw

ell

C

Indentación

Dureza Rockwell C: Sustrato y Recubrimiento

Sustrato Recubrimiento

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del recubrimiento; esto indica que cada elemento que constituye el material proyectado a la superficie del sustrato, alcanzó la temperatura de fusión durante el proceso de rociado térmico causando un crecimiento homogéneo y compacto del recubrimiento, además, el valor de la desviación estándar de las durezas fueron inferiores a la unidad, lo cual indica que los valores se encuentran muy cercanos al valor medio. La construcción de los perfiles de dureza Vickers se realizó en la zona transversal de las probetas, para analizar la variación de la microdureza en la sección transversal de las probetas recubiertas. Las medidas se realizaron teniendo en cuenta el endurecimiento superficial de la probeta debido a la deformación plástica superficial inducida durante el proceso de lijado y pulido. Al realizar la caracterización de la dureza a escala micro, se encontró que la dureza en cada perfil presentó variación considerable, en comparación con los valores de los otros perfiles. En la figura 13 se presenta un esquema de los perfiles de dureza, la figura 14 es una micrografía MEB de algunas las indentaciones realizadas en la sección transversa y en el cuadro 10 se presentan los valores de dureza. Figura 13: Distribución de perfiles de Dureza Vickers

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Figura 14: Micrografía MEB de las indentaciones en la sección transversal

Cuadro 10. Dureza Vickers: Perfiles de microdureza

Dureza Vickers (HV 0,5)

Posición Perfil 1 Perfil 2 Perfil 3 Promedio 1 Desviación estándar

1 339 306 291 312 24,56 2 368 338 339 348,33 17,04 3 352 355 355 354 1,73 4 826 934 952 904 68,15 5 946 1017 851 938 83,29

Por otro lado, a partir de los resultados se identificó que la microdureza del sustrato aumentó, esto se evidencia al comparar el valor promedio de microdureza en la posición 1 (zona del sustrato más alejada de la interfaz), con el valor promedio de la microdureza en la posición 3 (zona del sustrato cercana a la interfaz). Es posible que el aumento de la microdureza del sustrato se deba a que algunos átomos de carbono del recubrimiento ingresaron en la superficie del sustrato por medio de difusión, fenómeno desarrollado durante el proceso de rociado térmico; por otro lado, previo a la aplicación del recubrimiento, la superficie fue sometida a un proceso de desgaste para incrementar la rugosidad y mejorar el anclaje mecánico, por lo tanto, esta deformación plástica contribuye al aumento de la dureza superficial del sustrato en la zona más cercana a la interfaz. Por

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último, durante el proceso de rociado térmico la dureza de la superficie del sustrato aumentó debido al endurecimiento por flama; según Groover28, el endurecimiento por flama involucra el calentamiento de la pieza de trabajo por medio de uno o más sopletes, empleando como combustible acetileno o propano, seguido de un enfriamiento rápido. 7.2. PRUEBA DE DESGASTE Se ejecutó la prueba de pin on disk para determinar el coeficiente de fricción (COF) del sustrato y del recubrimiento, y para obtener la pérdida de masa de cada elemento después de someterlo al mecanismo de desgaste por contacto. El desarrollo de la prueba se llevó a cabo empleando los parámetros mostrados en el cuadro 6; la prueba se realizó usando los siguientes acabados superficiales: rectificado y refrentado en torno, para analizar la influencia del acabado superficial en el coeficiente de fricción, además, regularmente los talleres de rectificado cuentan con una rectificadora de disco abrasivo y un torno. El cuadro 11 muestra los resultados de la variación de masa del sustrato y del recubrimiento, después de la prueba de desgaste.

28 GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna: Materiales, Procesos y Sistemas. Naucalpan de Juárez: PRENTICE HALL, HISPANOAMERICANA S.A., 1997. 1062 p.

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Cuadro 11. Variación de masa durante la prueba de pin on disk: sustrato y recubrimiento.

Sustrato Acabado

Superficial Ensayo Probeta (g) Balín (g) Inicial Δ masa (g) Inicial Δ masa (g)

Refrentado por torno

1 80,5512 -32,72x10-3 1,0412 -0,250 x10-3 2 81,0971 -23,70 x10-3 1,0396 -0,250 x10-3

Rectificado 3 85,7422 -26,00 x10-3 1,0427 -0,275 x10-3 4 85,2922 -27,8 x10-3 1,0493 0,100 x10-3

Recubrimiento Acabado

Superficial Ensayo Probeta (g) Balín (g) Inicial Δ masa (g) Inicial Δ masa (g)

Rectificado

5 84,3022 -1,325 x10-3 1,0427 -1,85 x10-3 6 85,7680 -2,800 x10-3 1,0475 -0,010 x10-3 7 82,4842 -2,250 x10-3 1,0456 0 8 87,3628 -0,425 x10-3 1,0493 -1,62 x10-3

La ejecución de la prueba de pin on disk en el recubrimiento se realizó solo con acabado superficial rectificado. Realizando análisis detallado de los resultados expuestos en el cuadro 11, es posible apreciar que la pérdida de masa por parte del sustrato, fue mayor que la pérdida de masa del recubrimiento, bajo los mismos parámetros de ejecución, por lo tanto, este último presenta mayor resistencia al desgaste. Este resultado era esperado, ya que, al recubrir la pieza con Borotec se evidencia la disminución de la tasa de desprendimiento de material debido a la interacción superficial con otro objeto, incrementando la resistencia al desgaste por contacto. La pérdida de masa del balín se debió al desgaste por abrasión ocasionado por el desprendimiento de partículas duras del sustrato y del recubrimiento, durante la ejecución de cada ensayo. Sin embargo, esta pérdida de masa es despreciable ya que los valores se encuentran dentro del error de medida de la balanza, el cual es de 1x10-4g de precisión. Además, se obtuvo el comportamiento del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento del balín, sobre el área transversal de contacto. El

48

cuadro 12 muestra los valores del coeficiente de fricción obtenido durante cada ensayo; los valores tabulados son valores medios. Cuadro 12. Valores de coeficiente de fricción

Coeficiente de Fricción (μ) Sustrato Recubrimiento

Acabado Superficial Ensayo μ

Acabado Superficial Ensayo μ

Rectificado 1 0,5433

Rectificado

1 0,4705 2 0,542 2 0,635

Refrentado 3 0,619 3 0,544 4 0,6074 4 0,596

Se observó que el acabado superficial del sustrato influyó en los resultados del coeficiente de fricción, ya que, el coeficiente de fricción del sustrato rectificado fue inferior al coeficiente de fricción del sustrato refrentado por torno. Lo anterior se justifica mediante la rugosidad de cada elemento, la rugosidad del sustrato rectificado fue de 0,585 μm y la del sustrato refrentado fue de 0,63 μm, por lo tanto, a mayor rugosidad se requiere mayor fuerza para romper las asperezas superficiales y por ende aumenta el coeficiente de fricción. Por otro lado, uno de los resultados esperados de esta prueba fue que el coeficiente de fricción del recubrimiento fuera de menor valor que el coeficiente de fricción por parte del sustrato, sin embargo, al analizar los resultados tabulados en el cuadro 12, no se evidenció gran diferencia entre los resultados del recubrimiento y del sustrato. El coeficiente de fricción presentó comportamiento fluctuante durante el desarrollo de las pruebas de pin on disk en el sustrato, es decir, no se logró determinar un valor fijo de coeficiente de fricción debido a que éste no alcanzó un régimen estacionario; lo anterior justifica los valores promedios del sustrato en el cuadro 12. La figura 15 presenta el comportamiento del coeficiente de fricción vs distancia de deslizamiento del sustrato, con los acabados superficiales establecidos para la ejecución del ensayo.

49

Figura 15: Coeficiente de fricción vs recorrido, sustrato

El acabado superficial del sustrato en las curvas P1 y P2 fue rectificado y el acabado superficial de la curva P3 fue refrentado. Analizando los resultados, es posible apreciar que el comportamiento del coeficiente de fricción durante la prueba no se vio influenciado por el acabado superficial del sustrato ya que los tres resultados presentaron el mismo comportamiento, cabe destacar que el sustrato cuyo acabado superficial con refrentado, presentó los mayores coeficientes de fricción. Una de las posibles causas de la fluctuación del coeficiente de fricción durante el desarrollo de la prueba de pin on disk se debe a la formación de óxidos superficiales durante el proceso de desgaste. La presencia de los óxidos superficiales da lugar al desgaste por oxidación. El desgaste por oxidación se observa en un par tribológico deslizante que se encuentra influenciado por la acción del aire, donde las partículas de óxido formadas en la superficie experimentan el desgaste; la capa de oxido se forma durante el tiempo en que las asperezas del balín no se entrelazan con las asperezas del sustrato. El mecanismo de desgaste por oxidación se divide en las siguientes etapas:

Etapa 1: Difusión del oxígeno hacia la superficie del sustrato

Etapa 2: Crecimiento de la película de óxido

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

P3

P2

Coe

ff. F

ricci

ón (

)

Recorrido (m)

P1

50

Etapa 3: Ruptura de la película de óxido durante el deslizamiento

Por lo tanto, cuando el COF aumenta indica que el pin está destruyendo los óxidos formados (etapa 3), significa que se requiere mayor carga para que el elemento continúe con su trayectoria, y el particulado de óxidos separados del sustrato se ubica en la interfaz balín-sustrato; así mismo, la disminución del coeficiente de fricción se debe a que los óxidos destruidos funcionan como lubricante sólido, causando que se desarrolle un desgaste de tres cuerpos. Con base en lo anterior, los valores de coeficiente de fricción están influenciados por lo óxidos superficiales. La figura 16 muestra regiones donde se presentaron óxidos y material particulado después de ejecutar la prueba de pin on disk. Figura 16: Microscopía óptica: óxidos superficiales.

La región 2 y 3 resaltan el particulado que se desprendió del sustrato y el pin durante la prueba, además, se observa que varios sectores superficiales del surco tienen presencia de óxidos; la zona en la que se ve presencia de los óxidos, debido a la intensidad del color naranja, se encuentra demarcada por el ovalo 1. Según Grajales29, durante el desgaste por deslizamiento pueden ocurrir transiciones en la tasa de desgaste que son influenciadas por la carga, velocidad y distancia de deslizamiento, o por las mismas condiciones ambientales como la temperatura, humedad, entre otros. Sí la carga con la que se ejecutó el ensayo permanece constante, el desgaste es considerado como desgaste moderado y se debe formar una capa de oxido debido a las altas temperaturas de contacto; éstas

29

MESA GRAJALES, Op. cit., p. 11.

51

altas temperaturas aceleran el proceso de oxidación de la superficie debido a la presencia de oxígeno en el ambiente, ya que la prueba se realizó sin atmosfera controlada. Cabe destacar que éste fenómeno ocurrió en las tres pruebas de pin on disk. Figura 17: Microscopía óptica. Formación de óxidos superficiales en los sustratos 2 y 3.

Al igual que en el sustrato 1, la figura 17 muestra la aparición del fenómeno de oxidación durante el desgaste por deslizamiento en los sustratos 2 y 3. Los ovalos resaltan la presencia de óxidos, además se aprecia la presencia de partículas desprendidas durante el desarrollo de la prueba. El coeficiente de fricción del recubrimiento se estabilizó durante la ejecución del ensayo de pin on disk, por lo tanto, se logró determinar el valor del mismo después de ejecutar el ensayo. En la figura 18 se observa las gráficas del comportamiento del coeficiente fricción durante la prueba de desgaste en el recubrimiento. Las gráficas del recubrimiento R2 y R3 presentaron comportamiento similar; durante el inicio de la prueba el coeficiente de fricción presentó un comportamiento fluctuante debido a la ruptura de las asperezas superficiales entre el recubrimiento y el pin del ensayo, el incremento súbito del COF se debe al contacto inicial entre el balín y el recubrimiento; en la zona intermedia se identifica una disminución del COF, sin embargo lo valores continúan fluctuando; en la región última, se evidencia la estabilidad de coeficiente de fricción debido al asentamiento que se produce por la disminución de la rugosidad superficial de la superficie del recubrimiento. Por otro lado, el gráfico del recubrimiento R1 difiere en el comportamiento de los gráficos previamente explicados, las posibles causas de la fluctuación del comportamiento del COF fue el desarrollo de óxidos superficiales y la adhesión del material del

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balín al recubrimiento, durante la ejecución del ensayo. La figura 17 muestra el comportamiento del coeficiente de fricción del recubrimiento en cada ensayo de pin on disk. Figura 18: Coeficiente de fricción vs recorrido, recubrimiento.

En la imagen de la figura 18a se aprecia, que el ancho del surco en los recubrimientos fue más pequeño que el surco de los sustratos, y también fueron más irregulares, esto se atribuye a la poca penetración por parte del balín en la superficie del recubrimiento ya que éste es más duro. Además, se evidencia que el recubrimiento presentó mayor resistencia a la deformación por contacto que el sustrato, por lo tanto, el material removido es poco y el tamaño del surco es menor. Las líneas rectas en cada imagen son las huellas dejadas por la rueda abrasiva empleada para obtener el acabado superficial por rectificado. Una posible causa de la fluctuación del coeficiente de fricción en la curva R1 de la figura 18, se debió a la formación de óxidos en el surco que se observan en la figura 19b, desarrollando el mismo mecanismo de desgaste explicado en los resultados del sustrato. Otra posible causa de esta variación de comportamientos se debió a la forma de aplicación del recubrimiento. El recubrimiento de la gráfica R1 se aplicó precalentando el sustrato y proyectando el recubrimiento, mientras que, los recubrimientos de las gráfica R2 y R3, se aplicaron de la misma manera

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

R1, 0,635

R2, 0,544

Coe

ff. F

ricci

ón

Recorrido (m)

R3, = 0,4705

53

que el recubrimiento de la gráfica R1, adicionando un calentamiento posterior por soplete a la probeta recubierta. Figura 19. Micrografía óptica pista del recubrimiento.

a) b)

7.3. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO - PRUEBA DE

DESGASTE Para realizar un análisis más detallado de los mecanismos de desgaste desarrollados en el surco del recubrimiento, durante la prueba de pin on disk, se realizó la toma de imágenes mediante Microscopía Electrónica de Barrido; no se realizó análisis a las partículas de desgaste, debris. En la figura 20 se muestran tres (3) micrografías a diferentes aumentos de la huella en el recubrimiento producida por el contacto entre el balín y la superficie.

54

Figura 20: Micrografía del surco dejado por el pin on disk sobre el recubrimiento

En las micrografías A y B se observa la huella de desgaste dejada por el balín al estar en contacto con el recubrimiento. Se aprecia que el lado interior de la pista presentó mayor desgaste durante la prueba, el desgaste se ocasionó por proceso de arado; no se evidenció deformación plástica en los lados del surco, una posible justificación de lo anterior es la alta dureza del recubrimiento. En la micrografía C, se observa mecanismo de desgaste por abrasión al estudiar más a fondo el surco del balín; se evidenció que el material se desprendió y se disgregó en forma de residuos, por lo tanto existe la posibilidad que durante la prueba se desarrollara desgaste de tres cuerpos. Además, hubo una formación de microgrietas en los alrededores de la zona donde se desprendió el material, lo anterior se justifica en la fragilidad del recubrimiento. Por otro lado, la micrografía D muestra particulado resultante de la prueba de desgaste al igual que el desgaste por arado. La micrografía E muestra la formación de óxidos superficiales en el surco, están representados por las zonas de color grisáceo oscuro y se evidenció mediante EDS. Los puntos identificados con los números 1, 2, 3 y 4 ubicados en las micrografías C y E, representan las zonas donde se realizó análisis EDS. En la figura 21 se presentan los resultados.

55

Figura 21: Análisis EDS en la pista del recubrimiento

El porcentaje de oxígeno en el punto 1 es menor a los resultados de los otros tres puntos, es decir, que la composición química fue medida en el interior del recubrimiento, por lo tanto, se corrobora que se presentó desprendimiento del mismo durante el ensayo. En los puntos 2, 3 y 4, el porcentaje de oxígeno fue considerable, por lo tanto, se comprueba la generación de óxidos superficiales en el recubrimiento, como se mencionó en el análisis de la figura 18. Por último, los porcentajes de hierro en los resultados de los puntos 1, 2 y 3, fueron inferiores al 3,8%, que es el porcentaje base del hierro en el recubrimiento, por lo tanto no hubo adhesión del material del balín a la superficie del recubrimiento. 7.4. RAYADO SUPERFICIAL POR SCRATCH TEST La figura 22 muestra el resultado de la prueba de rayado superficial realizada en el recubrimiento, se aplicó carga creciente de 0 a 90 N como se indicó en el cuadro 7. El valor del pico del coeficiente de fricción al principio de la prueba se debe al contacto inicial del indentador con la superficie. El comportamiento de la gráfica no permitió determinar las cargas críticas a las cuales el recubrimiento presentó falla cohesiva o adhesiva, por lo tanto se realizó pruebas MEB en la huella dejada por el indentador para analizar si hubo generación de microgrietas superficiales o hubo falla por adhesión.

56

Figura 22: Coeficiente de fricción vs carga en la prueba de rayado

En la micrografía MEB de la figura 23 se muestra parte de la huella dejada por el indentador, se aprecia que no hubo formación de microgrietas en la parte exterior de la huella, por lo tanto el recubrimiento no presentó falla cohesiva. Por otro lado, no se evidenció falla adhesiva. Figura 23: Micrografía MEB a 500x del rayado superficial en el Borotec

La figura 24 presenta la micrografía del recubrimiento sobre el acero al Cr-Ni-Mn, se evidenció deformación plástica permanente al final de la huella dejada por el

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

Coef

f. Fr

icció

n (

)

Carga (N)

57

indentador durante el recorrido, esto es característico de un material dúctil lo cual es posible que se deba a la matriz de níquel del recubrimiento. Se observa que se acumuló material en la frontera de la huella de rayado. Cabe destacar que el indentador pasó a través de una grieta superficial durante la etapa final del ensayo, etapa en la cual se aplican los valores de carga máximos, sin embargo, el recubrimiento no presentó desprendimiento por delaminación indicando que la adhesión del recubrimiento al sustrato es muy buena. Figura 24: Micrografía MEB a 500x del final de la huella de rayado superficial en el Borotec

7.5. RAYADO TRANSVERSAL POR SCRATCH TEST Se realizó la prueba de rayado transversal bajo carga constante para analizar la adherencia del recubrimiento al sustrato al igual que la cohesión del mismo, según la norma ISO 27307. Se midió el triángulo proyectado bajo diferentes cargas para determinar el tipo de falla en la sección transversal; sí el triángulo proyectado se formó en la interfaz la falla es por adhesión, si el triángulo se formó en el recubrimiento la falla es por cohesión. La figura 25 presenta el área proyectada del triángulo que regularmente se obtiene con esta prueba, al igual que el cálculo de esta área.

58

Figura 25: Esquema rayado transversal con carga constante

Fuente: Characterization of thermal spray coatings by instrumented indentation and scratch testing: Part I. En: Application Bulletin. Abril, 2009. No. 28, p. 1-4. Las cargas empleadas en la prueba fueron 15, 20, 30 y 40 N. Para determinar el mecanismo de desgaste en la prueba de rayado, se determinaron las áreas de los triángulos proyectados para cada carga. El cuadro 13 muestra los resultados de las áreas proyectadas Cuadro 13: Áreas proyectadas de los triángulos del recubrimiento Borotec

Carga (N) Lx (μm) 2Ly (μm) Ly (μm) Acn (μm2) 15 168,11 244,55 122,275 20.555,65 20 129,52 349,91 174,955 22.660,17 30 181,723 267,75 133,875 24.328,17 40 311,25 200,1 100,05 31.140,56

Se observó que el área proyectada es proporcional a la carga aplicada, así que a mayor carga aplicada, mayor será el área del triángulo. En las imágenes A, B, C y D de la figura 26 se aprecian que los triángulos se originaron en el recubrimiento, por lo tanto, bajo diferentes cargas el recubrimiento presentó falla cohesiva; por otro lado, no se observó la formación de microgrietas. La imagen D presenta la interfaz sustrato/recubrimiento después de aplicar la carga de 40 N; se observa

59

que no hubo formación de grietas en la interfaz, por lo tanto, el recubrimiento presentó buena adherencia al sustrato. Cabe destacar que el comportamiento de la imagen D también se dio para las pruebas realizadas con las otras cargas. Figura 26: Microscopía óptica del rayado transversal

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7.6. TERMOGRAVIMETRÍA (TGA) Se realizó la prueba de termogravimetría para analizar la pérdida o ganancia de masa por parte del recubrimiento cuando está sometido a altas temperaturas en diferentes atmosferas. La ejecución del TGA se llevó a cabo con los parámetros mostrados en el cuadro 8. En la figura 27 se muestran los resultados de esta prueba; las tres curvas representan la variación porcentual de la masa del recubrimiento en una atmosfera de helio (curva 3), argón (curva 2) y nitrógeno (curva 1). Es posible apreciar que el material del recubrimiento ganó masa durante las tres pruebas, donde la atmosfera de helio permitió que el recubrimiento ganara el 8,747% de su propia masa, seguida por la atmosfera de argón con el 4,776% y por último, la atmosfera de nitrógeno con el 4%. La ganancia de masa por parte del recubrimiento fue más estable en la atmosfera de nitrógeno, donde en el intervalo de temperatura entre 25 y 200°C ganó el 2,9% y, en el intervalo entre 200 y 900 °C ganó el 1,1%. Este último intervalo indica que a temperaturas elevadas la variación de masa del recubrimiento es mínima, lo que indica que el recubrimiento presenta alta estabilidad másica a altas temperaturas. El resultado más relevante fue el obtenido bajo la atmosfera de nitrógeno. La temperatura de salida de los gases de la cámara de combustión de un motor diesel está entre 537 y 649 °C y el 67% de estos gases es nitrógeno, por lo tanto, la prueba desarrollada con una atmosfera 100% de nitrógeno indica que el recubrimiento no presentará una variación másica importante cuando experimente el flujo de los gases de salida.

61

Figura 27: Termogravimetría en atmosfera de He, Ar y Ni.

7.7. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) La prueba de calorimetría diferencial de barrido se realizó para analizar la cantidad de calor absorbido por parte de la muestra cuando se sometió a una tasa de calentamiento de 10°C/min. En la figura 28 se muestra la fluctuación del calor absorbido por el recubrimiento durante la prueba, en el intervalo de temperatura definido. En la curva observamos tres picos, enumerados del 1 al 3; el pico 1 corresponde al cambio de fase solida a fase líquida de las partículas de humedad absorbidas por la muestra durante el proceso de limpieza. El pico 2 corresponde a la evaporación de la humedad en la muestra, este se presentó a 100 °C, temperatura de evaporación del agua. Después de la evaporación de las partículas de agua, el recubrimiento absorbió energía a partir de los 112 °C hasta 400,73 °C, aproximadamente. El pico 3, el de mayor magnitud, refleja una posible cristalización del material amorfo en el recubrimiento, los cuales fueron recalentados lo suficiente durante el paso de la antorcha en el proceso de rociado térmico; el material amorfo hace referencia a partículas no fundidas o semifundidas que se encuentran en el recubrimiento. Por lo tanto, cuando se sometió el recubrimiento a la prueba de DSC el material amorfo experimentó un recalentamiento local, pasando a una fase cristalina y aumentando el

0 200 400 600 800 100098

100

102

104

106

108

110

Curva 3, Atm: Helio

8,747 %

Varia

ción

más

ica

(%)

Temperatura (°C)

4,776%

4,092%

Curva 2, Atm: Argón

Curva 1, Atm: Nitrógeno

62

almacenamiento energético por parte de la muestra30. La entalpía de cristalización del recubrimiento fue de 54,31 J/g y la energía necesaria para lograr la cristalización de las partículas amorfas está representada por el área bajo la curva entre la curva 1 y la proyección (curva 2). Sí el recubrimiento aplicado por la técnica de rociado térmico no hubiese presentado partículas no fundidas o semifundidas, el comportamiento de la curva DSC estaría descrito por la proyección entregada por el software, curva 2, por lo tanto, la muestra solo absorbería energía sin presentar un posible cambio de fase, hasta llegar a su máxima capacidad de almacenamiento. Figura 28: Calorimetría Diferencial de Barrido en atmosfera de Nitrógeno.

30

CHOKETHAWAI, K.; McCARTNEY, D.G.;SHIPWAY, P.H. Microstructure evolution and termal stability of an Fe-based amorphous alloy powder and thermally sprayed coating. En: Journal of Alloys and Compounds. Junio, 2009, no. 480, p. 351-359.

63

7.8. ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL Se realizó análisis de microestructura mediante microscopía óptica a la región transversal del recubrimiento, para identificar la microestructura después de la aplicación del recubrimiento. En la figura 29 se presenta la micrografía óptica del de la sección transversal de las probetas recubiertas. En la interfaz observamos la zona térmicamente afectada, representada por la zona oscura, después del proceso de rociado térmico, por otro lado, no fue posible identificar el proceso de difusión del recubrimiento, sin embargo este se corroboró mediante la variación de la microdureza del sustrato en los perfiles de dureza Vickers construidos. Por otro lado, se destaca la porosidad presente en el recubrimiento y se aprecia la formación de microgrietas en el mismo, fenómeno característico en este tipo de recubrimientos, pero el crecimiento de las microgrietas no superó la interfaz. Figura 29: Micrografía óptica interface sustrato/recubrimiento a 100X

En la micrografía A de la figura 30, se evidencia la presencia de porosidades en el recubrimiento. Este efecto se presenta con frecuencia y es característico de los recubrimientos duros obtenidos por rociado térmico; cuando se proyecta el material fundido hacia el sustrato algunas partículas se enfrían antes de impactar en la superficie, esas partículas semifundidas no permiten obtener un recubrimiento homogéneo, viéndose reflejado en los espacios sin material del recubrimiento. Los poros disminuyen la cohesión del sustrato y se asocian con gran cantidad de partículas no fundidas o semifundidas, que quedan atrapadas dentro del recubrimiento. La imagen B presenta la topología de un recubrimiento duro; en comparación con la micrografía A se aprecia que la presencia de poros es un factor característico de los mismos. No se evidenció óxidos incrustados en el recubrimiento.

64

Figura 30: Micrografía MEB interfaz sustrato-recubrimiento.

La porosidad de los recubrimientos duros obtenidos por rociado térmico es inherentes a ellos, como se mencionó anteriormente, sin embargo, puede ser controlada mediante bajas tasas de enfriamiento del recubrimiento despues de ser aplicado en el sustrato, evitando que la temperatura del recubrimiento disminuya de forma subita y logrando que se enfríe a la misma velocidad. Otra forma de controlar la porosidad es mediante los parámetros de aplicación del recubrimiento, ya que la porosidad depende de ellos; los parámetros a controlar son: velocidad de proyección, velocidad de suministro de materia prima, distancia de aplicación, angulo de deposición, temperatura alcanzada con la fuente de energía y periodisidad de aplicación de las capas de material, entre otros. Una de las técnicas que más se destaca por la baja porosidad de los recubrimientos que se optienen a partir de ella, es el HVOF, de sus siglas en ingles High Velocity Oxy-Fuel. Este proceso permite optener recubrimeintos más compactos debido a las altas velocidades de proyección del material y también a las altas temperaturas que se alcanzan durante el proceso.

65

8. CONCLUSIONES Después de haber realizado todas las caracterizaciones de las propiedades mecánicas y tribológicas del recubrimiento Borotec, se presentan las siguientes conclusiones. Mediante micrografías ópticas y ensayo de microdureza, se observó proceso de

difusión del recubrimiento en el sustrato e incremento de dureza superficial en la zona térmicamente afectada, debido a que el proceso de rociado térmico es semejante al proceso de soldadura. Por otro lado, hubo fusión entre la superficie del sustrato y el recubrimiento, lo que indicó una buena adherencia.

Se observó que al recubrir el acero al Cr-Ni-Mg con Borotec, la pérdida

aparente de masa fue despreciable comparado con el acero sin recubrir. La cara de la válvula de escape está sometida a desgaste por deslizamiento y abrasión cuando entra en contacto con la cara del asiento, por lo tanto, el resultado obtenido fue satisfactorio ya que la holgura que se genera entre la válvula de escape y el asiento, debido a los mecanismos de desgaste, disminuirá, evitando el escape de los gases de combustión.

El coeficiente de fricción en el recubrimiento fue similar al coeficiente de fricción en el sustrato, sin embargo, la estabilidad del COF en el primero permitió que la tasa de desgaste por deslizamiento entre el recubrimiento y el balín sea constante, debido a que la fuerza de contacto también fue constante, en comparación con la tasa de desgaste fluctuante del sustrato, debido a la fluctuación del COF. Para éste caso, es factible la aplicación del recubrimiento Borotec en válvulas de escape de acero al Cr-Ni-Mg, ya que la prueba de desgaste se desarrolló mediante un balín de acero, y regularmente los asientos de válvulas están fabricados de aceros al carbono.

Los resultados obtenidos en las prueba de rayado superficial y transversal revelaron que el recubrimiento solo presentó falla cohesiva, por lo tanto el nivel de adherencia del recubrimiento al sustrato fue buena.

La ganancia de masa del recubrimiento Borotec en atmósfera de 100% Ni, en la prueba de termogravimetría fue aproximadamente del 4% de su masa, por lo tanto, es posible que cuando el recubrimiento esté sometido al flujo de los gases de combustión, 67% de la composición es nitrógeno, la variación de

66

masa debido a éste elemento y las altas temperaturas es despreciable, indicando estabilidad másica por parte del Borotec.

El análisis DSC reveló un pico pronunciado de cristalización por parte de las partículas amorfas presentes en el recubrimiento. Este pico se presentó a una temperatura de aproximadamente 400,73°C. Las partículas amorfas se debió a la presencia de partículas semifundidas.

.

67

9. RECOMENDACIONES El grupo de investigación GCIM continuará con la investigación del tema, evaluando el efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas y tribológicas medidas, al igual que la adherencia del recubrimiento. Por otro lado se recomienda complementar el análisis de calorimetría diferencial de barrido y termogavimetría, con un estudio de las fases microestructurales del recubrimiento después de ser calentado a diferentes temperaturas, mediante Difracción de Rayos X, para observar la transformación de la estructura cristalina del mismo y determinar la estabilidad térmica. Se realizaran las pruebas de campo, que consistirá colocar a funcionar un motor diesel CUMMINS 350 con válvulas de escape recubiertas con Borotec, para determinar la vida útil del elemento.

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BIBLIOGRAFIA AKHTARI ZAVAREH, Mitra et. al. Plasma thermal spray of ceramic oxide coating on carbon steel with enhanced wear corrosion resistance for oil and gas application. En: Ceramic international. Junio, 2014, no. 40, p. 14267-14277. BAIAMONTE, L., PULCI, G., HLEDE, E., MARRA, F., BARTULI, C. Thermal spray coatings for corrosion and wear protection of naval Diesel engines components. En: La Metallurgia Italiana. Junio, 2014, no. 6, p. 9-13. CALLISTER, William D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 3 ed. Barcelona: EDITORIAL REVERTÉ S.A., 2002. 524 p. CHOKETHAWAI, K et al. Microstructure evolution and termal stability of an Fe-based amorphous alloy powder and thermally sprayed coating. En: Journal of Alloys and Compounds. Junio, 2009, no. 480, p. 351-359. DAVIS, Joseph R., et al. Handbook of thermal spray technology. ASM international, 2004. p. 3 GODOY, C.; BRANCO, J.R.T.; BATISTA, J.C.A.; LUIZ, E.C.; MAIA, B.T.. Análisis estadístico de dureza en revestimientos de 75% WC-Co + 25% aleación a base de níquel, producidos por plasma atmosférico- En: Información Tecnológica. 1999, vol. 10, no. 3, p. 52. GRANOBLES URBANO, Jean Pierre. ESTUDIO DE LA RESISTENCIA A LA EROSIÓN-CORROSIÓN DE LOS IMPULSORES DE UNA BOMBA WEMCO RECUBIERTOS POR ROCIADO TÉRMICO. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingeniería, 2013. 51p. GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna: Materiales, Procesos y Sistemas. Naucalpan de Juárez: PRENTICE HALL, HISPANOAMERICANA S.A., 1997. 1062 p.

69

Hejwowski, T. Comparative study of thermal barrier coatings for internal combustion engine. En: Vacuum. Noviembre, 2010, vol. 85, p. 610-616. HINCAPIE CAMPOS, Williams Steve. Resistencia al desgaste abrasivo de recubrimientos comerciales metaceram 25050 y proxon 21071 producidos con el sistema de proyección térmica por llama. Trabajo de investigación Magister en Ingeniería Mecánica. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Departamento Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, 2013. 162 p. MARTÍNEZ PÉREZ, Francisco. La tribología: Ciencia y técnica para el mantenimiento. Editorial Limusa S.A., 2002. 200 p. MESA GRAJALES, Dairo Hernán. Desgaste de materiales [en línea]. Pereira: Universidad Tecnológica de Pereira [consultado 24 de febrero de 2015]. Disponible en Internet: www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf MURAT, Ciniviz et. al. Ceramic Coatings - Applications in Engineering: Ceramic Coating Applications and Research Fields for Internal Combustion Engines. 2012. p. 195-234. PRIYAN, M.Shunmuga. HARIHARAN, P. The study on tribology and surface interface characterization of Fe based alloy coating deposited by HVOF method. En: Procedia Engineering. 2012, vol. 38, p. 3741-3756. TANG, Linhu et. al. Dry sliding friction and wear behavior of hardened AISI D2 tool steel with different hardness levels. En: Tribology International. Enero, 2013, no. 66, p. 165-173. VENCL, Aleksandar et. al. Evaluation of adhesion/cohesion bond strength of the thick plasma spray coatings by scratch on coatins cross-section. En: Tribology International. Febrero, 2011, no. 44, p. 1281-1288. ZHANG, Zhenyu et. al. Wear Characterization of thermal spray welded Ni-Cr-B-Si-RE alloy coatings. En: Journal of materials processing technology. Julio, 2007, no. 209, p. 1368-1374.

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ANEXOS

Anexo 1. Resultado análisis químico válvula de escape

Fuente: Análisis cuantitativo de la composición química de metales. Informe de ensayo No. ME0314-14. Laboratorio de Metalografía y Espectrometría, SENA-ASTIN. Fecha de ejecución: 30 de septiembre de 2014.