Ejes de esteras de tractores endurecidos por el desgaste por rodadura (página 2)

Una de estas propiedades es la dureza, la cual alcanza valores considerables, lo que debía garantizar la longevidad apropiada durante la explotación de los mismos. El acero AISI-1045 es considerado en la práctica industrial como un material de buena calidad que combina elevada tenacidad-ductilidad con una gran capacidad de endurecimiento por deformación y una elevada resistencia al desgaste a pesar de su relativa baja dureza (Bayaume; 1995).

Cuando la deformación alcanza un valor crítico por encima del límite de acritud, el material se rompe por fractura frágil. Durante este proceso las tensiones de cizalladura, producen deslizamiento en el interior de los granos cristalinos o ruptura de los mismos, y crean tensiones de cizalladura que alcanzan un valor máximo en algún punto, apareciendo deformaciones permanentes o fracturas, punto a partir del cual se inicia el fallo del material (Álvarez, E. N, et all, 2004, Lubriner, J, 1986).

Al someter un metal con estructura cúbica a la acción de cargas que sobrepasen el límite de fluencia, después de eliminarlas persistirá la deformación. Si se vuelve a poner al metal bajo la acción de cargas, su actitud para la deformación plástica habrá disminuido y el límite de fluencia se elevará. Esto significa que el metal se ha endurecido por acritud (Barceinas, S y Juárez, H. A 2001).

Uno de los problemas no resuelto en la temática del desgaste es la designación y clasificación del desgaste en las superficies de los cuerpos sólidos; por tal motivo en este epígrafe se dan los conceptos más utilizados.

1. Desgaste adhesivo.- También llamado desgaste por fricción o deslizante, se produce debido a la adhesión molecular entre los cuerpos en contacto.

2. Desgaste por fatiga. Desgaste debido a causas mecánicas producto de tensiones variables y repetidas.

3. Desgaste abrasivo.- Desgaste mecánico como resultado de la acción de corte o rayado de asperezas de alta dureza o de partículas abrasivas.

La importancia de cada tipo de desgaste en la industria según Eyre es la siguiente.

• Abrasivo …………………… 50 %
• Adhesivo………………….. 15 %
• Erosivo ……………………. 8 %
• Mecánica – corrosivo….. 5 %
• Oxidación dinámica …… 8 %
• Fatiga y otros ……………… 14 %.

Plantea Álvarez 1999, que "Como desgaste abrasivo se entiende la modificación de las capas superficiales de los cuerpos sólidos producto de la acción de asperezas o partículas libres de alta dureza al deslizarse sobre otra superficie de menor resistencia mecánica".

En el desgaste abrasivo según (Álvarez y González, 1993) influye la dureza y la tenacidad del material. La tenacidad es la resistencia que opone el material deformado por la acción de las partículas abrasivas, a la rotura. El desgaste depende también del coeficiente de fricción, fuerza de unión adhesiva entre partículas de la superficie del metal y las partículas abrasivas. Cuando los valores del coeficiente de fricción son elevados, se favorece el proceso de microcorte.

El desprendimiento de material en un componente mecánico (Verdeja y González, 1996) puede variar notablemente, de muy intenso a despreciable. En cualquier caso, ello puede significar una pérdida de eficiencia y la inutilidad completa del sistema. Es muy importante dejar establecida la necesidad de emplear la máxima rigurosidad en el análisis y diagnóstico de los mecanismos de desgaste.

La fatiga de contacto por rodadura ha sido identificada como la propagación de grietas iniciadas en la superficie, alrededor de defectos superficiales tales como asperezas o dientes. La iniciación de la grieta alrededor de tales defectos se piensa que esté controlada por el campo de los esfuerzos normales y de cortante.

El desgaste por fatiga superficial generalmente se considera debido a la acción de las tensiones o esfuerzos superficiales, sin medir necesariamente otra interacción físicas entre las superficies de los cuerpos sólidos. El proceso de desgaste por fatiga está relacionado con ciclos de tensiones repetitivos en el contacto por rodadura o por deslizamiento.

La fatiga [Bold, 1991], surge por concentración de tensiones mayores a las que puede soportar el material, incluye las dislocaciones, formación de cavidades y grietas. En el mecanismo de la fatiga es posible pues, considerar tres períodos, según [Martínez, F. Martínez, H. 1982]: en el primero, que puede llamarse de incubación, ciertos puntos del material sufren procesos de deformación plástica, que en las aplicaciones sucesivas de las cargas variables van acumulándose hasta que se inicia la fisura microscópica, que marca el fin de este proceso. En el período siguiente, llamado de fisuración progresiva, la grieta que se ha iniciado en el de incubación va desarrollándose, progresando y extendiéndose en el metal bajo la acción de las tensiones repetidas y también por el efecto de entalla que la propia fisuración engendra. Ello da lugar a que también en este periodo la deformación plástica esté localizada solo en los cristales que sufren el efecto de entalla y, por lo tanto, se produzca la figuración progresiva sin deformación exterior. Finalmente en el tercer periodo de rotura, esta se produce de manera brusca simplemente por la acción de una tensión superior a la resistencia de rotura del material energéticamente entallado. La grieta de fatiga es un corte transversal, por consiguiente, se forma un estado tensional volumétrico que condicionan el carácter frágil de la rotura. Por fatiga debe entenderse la rotura causada por el desarrollo progresivo de la fisura.

La presión de contacto está representada por una serie de cargas puntuales que actúan en cada nodo de la superficie. La deflexión en cualquier punto del modelo puede ser determinada mediante la superposición de las deflexiones causadas por cada carga discreta. (Cheng, et. All, 2000).

Comparado con las condiciones de rodadura pura, el deslizamiento junto con la rodadura proporciona efectos de extremo adicionales. La presencia de deslizamiento puede incrementar la concentración de tensiones en el extremo de salida. El extremo de entrada puede beneficiarse por una reducción en la presión local en condiciones de deslizamiento (Pero-Sanz, 2000). Por tanto, la influencia del deslizamiento en los esfuerzos sub-superficiales y las fallas de contacto pueden encontrarse a través de las alteraciones de la presión de contacto y no por la fricción superficial.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Para la planificación de los experimentos se prepararon probetas con dimensiones de aproximadamente 30×30 mm, estas probetas se prepararon con cuchilla para cortar del tipo SANDVIK, código del vástago 151.2-21-20 16 16, con una plaquita N 151.2-200-5E de calidad T-MAX Q-cut (Coromant KoroKey, 1996), con refrigeración constante y baja velocidad de corte para evitar el calentamiento excesivo de la misma.

El análisis de la composición química de las muestras se realizó empleando un Espectómetro cuántico óptico de Masa ESPECTROLAB 230, con electrodo de carbón bajo arco sumergido en atmósfera de argón.

1. Examen micrográfico.

EL examen micrográfico se realiza sobre muestra o probeta de 15 x 15 mm, de material del pasador desgastado y deformado después de su vida útil, y la de una muestra patrón. Se prepara una superficie que luego de ser pulida convenientemente, se ataca con reactivo químicos apropiados.

Sobre estas muestras se realizó también el análisis de microdureza empleando un cono de diamante de 1360, carga de 50 kg con un tiempo de 15 s, fueron tomadas microdureza de un pasador nuevo y luego de retirado de servicio.

Ataque químico

El ataque químico se realiza con el objetivo de resaltar la estructura obtenida después de realizado el pulido hasta alcanzar el brillo de espejo, para observar la estructura metalográfica formada después del desgaste y la deformación del pasador. Para este ataque químico se utiliza (Nital).

Ácido Nítrico (HNO3) 5ml

Alcohol (etanol) 100ml

Pulido de las probetas.

En el pulido se emplearon lijas del tipo Nº- 180, 400 y 600 según las normas ISO 9001, dicho pulido se llevó a cabo con papel abrasivo montado sobre una placa de vidrio, cambiando el sentido del lijado 90º al pasar de un pliegue a otro de manera que se elimine la capa de metal distorsionado y deslizado dejado por el anterior. Para lograr una superficie lisa y pulida libre de impregnación de impurezas o ralladuras, por último las muestras se pasaron en una pulidora metalográfica, para lograr el acabado final, en ella se utilizó un paño de fieltro grueso usando como sustancia abrasiva el óxido de cromo.

La observación de cada superficie a analizar fue fotografiada para procesar la información y para esto se utilizó una cámara fotográfica digital marca CONCORD, modelo EYE-Q4363Z.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Composición Química de las probetas.

La composición química se tomó como promedio de los resultados de tres chispas para sacar el de cada una de ellas. Dicha composición química del pasador deteriorado se muestra en la tabla 1. Se tomó el pasador el cuál estuvo sometido a la acción de trabajo continuo, una vez que la pieza se puso fuera de explotación por perder su configuración geométrica.

Tabla 1. Composición química de pasador deteriorado.

Se determinó que el pasador corresponde con la composición química de un acero del tipo AISI 1045 según norma ASTM.

Análisis de la dureza de los materiales en estudio.

Para determinar la dureza de cada material se tomaron muestras de cada uno de ellos, se pulieron debidamente con lija de 180 granos de partículas abrasivas por mm2 para evitar que alguna suciedad u oxido, provocara errores en los resultados. Las mediciones de la dureza se realizaron por el método de Rockwel (HRC), y se realizaron al menos cuatro mediciones para cada muestra en diferentes lugares, las cuales aparecen en la tabla 2.

Tabla 2. Dureza del pasador deteriorado

La dureza que posee el pasador en toda la longitud deformada por rodadura, está compuesta por dos capas, una relacionada con el tratamiento térmico recibido antes de su uso, que es de aproximadamente de 4 mm y luego de ser sometida por el propio trabajo al esfuerzo de rodadura, se observa una profundidad de esta capa de 1.5 mm.

Se tomó en consideración la dureza de los elementos que incidían directamente en la fricción por contacto con el pasador, para ello se tomó la dureza del buje o casquillo y del eslabón de la cadena. En las tablas 4 y 5 se muestra la composición química de ambos elementos.

Tabla 3. Composición química del buje o casquillo.

Tabla 4. Composición química del eslabón de la cadena.

Después de analizada la composición química se determinó que el casquillo es AC 1540 y el eslabón es AC 1545. Esto demuestra que según la cinemática del par tribológico, se considera un par directo ya que el par de mayor dureza se mueve con respecto al más blando y además se cumple que el área nominal del más duro es menor que la del más blando.

Esto demuestra que en el par directo durante la acción de la carga, la deformación plástica del elemento de menor dureza obstaculiza el funcionamiento normal del par, motivo por el cual aumenta la fricción, aumenta el grado de deterioro de la superficie y ocurre la rotura.

Análisis de microdureza.

En la tabla 5 se muestra el comportamiento de la microdurezas realizadas en las probetas a diferentes profundidades, la dureza 1 corresponde al pasador tratado térmicamente y sin uso y la dureza 2 al pasador retirado de su vida útil deformado por la fricción por rodadura.

Tabla 5. Comportamiento de la microdureza (HV) en las probetas.

Se determino que la dureza 1 correspondiente al pasador nuevo existe una dureza adquirida por el tratamiento térmico, típica en los aceros de medio contenido de carbono y un aumento en la dureza de la probeta 2 producto de la fricción por rodadura, lo que demuestra que el desgaste por fricción por rodadura a endurecido la superficie de trabajo del pasador producto de la acritud. (Ver figura 3).

Figura 3. Comportamiento de la dureza en correspondencia con el desgaste.

El análisis estadístico para comparar el comportamiento de la dureza 1 con la dureza 2 se puede ver en la tabla 6

Tabla 6. Resumen estadístico

Según se observa en la figura 3 existe incremento de la dureza en la medida que el desgaste incide en la capa superficial del pasador producto de la fricción, en la tabla 6 se observa diferencia estadísticamente significativa entre la dureza 1 y la dureza 2, lo que demuestra que según se profundiza el desgaste el pasador quede retirado de su función.

Análisis microestructural.

Observación con microscopía óptica.

Después de pulidas y atacadas químicamente las muestras, se procede a la observación en el microscopio óptico. Se montan las muestras en la platina y se comienza la observación cambiando la combinación del ocular y objeto.

Estas observaciones se le realizaron al pasador deteriorado, en la parte desgastada y deformada por rodadura y a la parte que se deforma debido a la presión ejercida en el ajuste por interferencia. Además se observó una muestra patrón de acero de este mismo tipo sin aplicarle ningún método de endurecimiento en especial.

En cada muestra del pasador se ilustran fotografías tomadas con diferentes aumentos, a la microestructura del centro de la sección transversal del pasador, del borde y de la zona de transición entre la parte endurecida por tratamiento térmico y la zona que no se logró endurecer por este tratamiento.

Figura 4. Micrografía del corte transversal en la superficie del pasador tratado térmicamente a 100x

Como se observa en la figura 4, la microestructura del pasador desgastado y deformado está compuesta por una estructura martensítica. Sin embargo, se puede apreciar una franja de aproximadamente 1,5 mm de granos de martensita más finos que disminuye su espesor a medida que se incrementa la profundidad desde la superficie hacia el núcleo. Esta franja de pequeño espesor, donde las agujas de martensita son más finas, tiene su origen en los procesos de deformación a la que se somete la superficie del pasador durante las operaciones, lo que provoca una disminución en el tamaño de los granos y la aparición ocasional de bloques de mosaico que permiten delimitar perfectamente una zona de la otra.

Figura 5. Micrografía del corte transversal en la superficie del pasador tratado térmicamente a 300x.

Como se aprecia en la figura 5, la microestructura de un pasador tratado térmicamente, pero sin deformar se corresponde con la martensita más austenita residual y a diferencia de la micrografía de la figura 6, la microestructura es prácticamente homogénea y no aparecen zonas superficiales deformadas. Sin embargo, para esta última, en el núcleo del pasador se corresponde con una estructura compuesta por perlita más ferrita, típica del estado de normalizado, como se observa en la figura 7.

Figura 6. Micrografía del corte transversal del núcleo del pasador a 150x.

Figura 7. Micrografía del corte transversal de una muestra patrón de AISI 1045 normalizado a 150x.

4. CONCLUSIONES

1. Los ejes de las esteras de los tractores sufren los efectos del desgaste por estar sometidos a rodadura en seco, hasta el punto de quedar fuera de servicio.

2. Los pasadores están sometidos simultáneamente a diferentes tipos de desgaste, pero los que mayor influencia tiene en su deterioro son: el desgaste por fatiga, el desgaste adhesivo y el desgaste abrasivo.

3. Aunque los pasadores poseen alta dureza, sobre ellos tiene influencia también la deformación plástica, debido a que las superficies con las que entran en contacto poseen mayor dureza.

4. La dureza que presenta el pasador nuevo es producto del tratamiento térmico al que se somete el mismo antes de su puesta en marcha y la otra dureza es debido al desgaste producto del deslizamiento por rodadura.

5. Las micrografías de los pasadores muestran que estos poseen en su superficie, antes de su puesta en explotación, una microestructura martensítica y después de su vida útil se aprecia una variación en el tamaño de los granos de dicha superficie, lo que disminuye debido a la deformación plástica por el efecto de la rodadura.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Alvarez, E. Máquina para el estudio del desgaste abrasivo en pares tribológicos. Construcción de Maquinaria. UCLV. Año 20. N 2. Mayo-Agosto. 1995. p 69-76.

2. Alvarez, L y J. González. Máquina para el estudio del desgaste abrasivo en pares tribológicos. Revista

Construcción de maquinaria. Santa Clara, No2:69-76. 1993.

3. Bayoume, M. R.. Effect of surface finish on fatigue strength. Engineering fracture mechanics. Vol 51. No 5: 861- 870. 1995.

4. Chen, Z; et al. Yield surfaces of fcc crystals with crystallographic slip and mechanical twinning. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. Vol.10. No.1. P.34-39. Disponible en la World Wide Web. 2000.

5. Lubriner, J; Lancestremere, J; Mareglia, C; Barr, J. Plasticity Theory. University of California at Berkeley. 1986. Charter 2, p 77-86. 2001.

6. Martínez, F. Martínez, H. Relación entre la resistencia máxima y el desgaste abrasivo en los aceros al carbono. Revista construcción de maquinarias. Santa Clara. No 2: p 57-73. 1982.

7. Pero-Sanz, J.A. Ciencia de los materials. Metalúrgia Física: Estructura y Propiedades, Editorial DUSSAT SA, 3ra Edición. Pág 393-502. España. 2000.

8. Sandvik Coromant KoroKey. Guía de aplicación de herramientas, 1996, Pag 38-43. 1996.

9. Verdeja,L y González R. El desgaste de materiales en el crisol de horno alto: Conceptos generales. Revista de minas. Madrid, 1996.Volumen (13 y 14) 16- 23.

Autor:

Dayanis Alcántara Borges1

Ingeniera Mecánica, nacionalidad Cubana, graduada en el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, Profesora de la disciplina Procesos Tecnológicos, asignatura Máquinas Herramienta, en el Departamento de mecánica en el mismo Instituto, realiza investigaciones en el área de materiales.

,

Tomás Fernández Columbié1

Master en Ciencias, nacionalidad Cubana, graduado de Técnico Superior en el Instituto Superior Pedagógico de Santiago de Cuba, Cuba, Profesor de la disciplina Procesos Tecnológicos, asignatura de Soldadura, en el Departamento de mecánica en el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, realiza investigaciones en el área de materiales.

,

Isnel Rodríguez González1

Master en Ciencias, nacionalidad Cubana, graduado de Técnico Superior en el Instituto Superior Metalúrgico de Moa, Profesor de la disciplina Mecánica Aplicada, asignatura de Diseño de Elementos de Máquinas, en el Departamento de mecánica en el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, realiza investigaciones en el área de materiales.

El trabajo fue realizado en Cuba, en la ciudad de Moa, al norte de las provincias Orientales, en el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, en colaboración con los trabajadores de la mina de la Empresa Moa-Nickel S.A, el día 8 de Marzo de 2008.