Dureza y desgaste abrasivo en recubrimientos duros obtenidos mediante el proceso FCAW-DWOA

RESUMEN:

Se presenta un análisis del comportamiento de la dureza y la resistencia al desgaste abrasivo de depósitos del tipo FeCrC y FeCrCNb obtenidos aplicando el proceso FCAW-DWOA. Como consumibles se soldadura se emplearon combinaciones de dos alambres tubulares (HC-O y CN-O) con tres alambres macizos (ER70S6, ER308L y Er 430). El ensayo de desgaste abrasivo se realizó por el método de rueda de goma – tipo B y la dureza fue medida mediante el método Rokcwell. Dependiendo de la combinación electrodo tubular – electrodo macizo que se seleccione, con la adición de electrodo no energizado puede lograse o no un incremento de la dureza y la resistencia al desgaste con respecto a los valores que se logran con soldadura FCAW sin adición de alambre macizo; resultando más factible la adición de electrodo macizo ER 70S6 (tipo cero al carbono) por ser más barato y dar resultados tecnológicamente similares a los obtenidos con las demás combinaciones. El empleo de electrodo tubular CN (tipo FeCrCNb) permite valores superiores de dureza y resistencia al desgaste en comparación con el electrodo HC (tipo FeCrC), cuando son combinados respectivamente con los electrodos macizos ER 70S6, ER 308L y ER 430.

HARDNESS AND ABRASIVE WEAR IN HARDFACING, OBTAINED BY MEANS OF THE FCAW-DWOA PROCESS

ABSTRACT

It is presented an analysis of the behavior of the hardness and the resistance to the abrasive wear of FeCrC and FeCrCNb deposits obtained by the process FCAW-DWOA. Was used a combinations of two tubular electrodes (HC-OR and CN-OR) with three coated electrodes (ER70S6, ER308L and Er 430). The test of resistance to abrasive wear was carried out for the method of rubber wheel – type B and the hardness was measured by means of the method Rokcwell. Depending on t he combination tubular-coated electrode that is selected, with the addition of not energized electrode can achieves or not an increment of the hardness and the wear resistance with regard to the values that are achieved with welding FCAW without addition of coated electrode; being more feasible the addition of electrode ER 70S6. The employment of tubular electrode CN (type FeCrCNb) it allows superior values of hardness and wear resistance in comparison with the electrode HC (type FeCrC), when they are combined respectively with the electrodes ER 70S6, ER 308L and ER 430.

1. INTRODUCCIÓN

En la industria azucarera, el desgaste abrasivo es responsable por cuantiosas pérdidas económicas asociadas con paradas – programadas o no – necesarias para la sustitución o reparación de los componentes que sufren este tipo de daño. Se reporta que las pérdidas causadas por este fe nómeno en el sector azucarero del estado de Sao Paolo, Brasil, alcanzan el 5% del costo total de producción [1], lo cual ha implicado que se preste gran atención al referido problema.

Para combatir los efectos del fenómeno de desgaste abrasivo – de manera viable desde el punto de vista técnico y económico – se utilizan procedimientos de recuperación de los elementos desgastados aplicando procesos de soldadura (SMAW, MIG/MAG, FCAW, entre otros), que permiten depositar aleaciones resistentes al desgaste y con ello restaurar las dimensiones perdidas. De los diferentes procesos de soldadura utilizados en estos casos, en la actualidad existe gran interés por el uso de la soldadura mediante electrodo tubular con adición de alambre no energizado (denominado FCAW-DWOA o FCAW-CW).

Trabajos recientes – con enfoque tecnológico, económico y de caracterización – muestran la factibilidad y ventajas del proceso FCAW-DWOA, sobre todo en la aplicación de recargue duro resistente al desgaste abrasivo [2, 3, 4]; sin embargo, aún resulta poca la información disponible sobre tan novedoso proceso.

La soldadura mediante el proceso FCAW-DWOA se caracteriza por el empleo de dos alambres, utilizando un sistema de soldadura MIG/MAG con fuente multipropósito para la aplicación del electrodo tubular energizado, al cual se adiciona un segundo electro macizo no energizado, mediante el uso de un segundo alimentador con un dispositivo diseñado a tal efecto [5].

Para el proceso FCAW-DWOA se utilizan combinaciones de electrodos los cuales, en principio, son fabricados con la finalidad de ser empleados de manera independiente, por consiguiente entre los aspectos a considerar en las investigaciones en curso está el análisis del efecto que tiene dicha combinación sobre el comportamiento de los depósitos.

Con la intención de contribuir al conocimiento sobre la soldadura de recargue duro , aplicando el proceso FCAW-DWOA, en el presente trabajo se brinda un análisis de la influencia de diferentes combinaciones de electrodos tubulares (energizados) y macizos (no energizados) sobre la resistencia al desgaste y dureza de depósitos tipo FeCrC y FeCrCNb, recomendados para la recuperación de componentes que sufren desgaste abrasivo en la industria azucarera.

2. PARTE EXPERIMENTAL

La estrategia experimental fue encaminada al análisis del efecto que puede ocasionar sobre la dureza y resistencia al desgaste del metal depositado mediante el proceso FCAW-DWOA combinando diferentes consumibles (electrodos tubulares energizados y electrodos macizos no energizados).

Como metal base, para depositar los cordones de soldadura, se emplearon planchas de acero 1020 con dimensiones de 350x50x10 mm, sobre las que fueron depositados longitudinalmente 4 cordones de soldadura paralelos, con 250 mm de longitud y paso de 7 mm.

Como consumible se soldadura se emplearon combinaciones de dos alambres tubulares con 1,6 mm de diámetro (HC-O y CN-O, respectivamente) con tres alambres macizos de 1,2 mm de diámetro (ER70S6, ER308L y Er 430, respectivamente) cuyas características y combinaciones aparecen en las tablas 1, 2 y 3. Estos consumibles son recomendados para aplicaciones que requieran resistencia al desgaste abrasivo [6, 7].

Tabla 1. Características de los alambres tubulares empleados [6].

Tabla2. Características de los alambres macizos empleados [7].

Tabla 3. Combinaciones de consumibles de soldadura empleadas.

Para la realización de los depósitos se empleó una mesa de soldadura MIG/MAG convencional multipropósito con fuente electrónica y alimentador para el electrodo tubular, agregándose un segundo alimentador para el electrodo macizo.

Según recomendaciones de la literatura [3], se suelda en posición plana con la tobera vertical, colocada 90o con respecto a la superficie de la muestra; mientras que la tobera que suministra el electrodo macizo – no energizado – conforma un ángulo de 32o en relación a la chapa, dispuesta longitudinalmente en la dirección de soldadura.

Los parámetros de soldadura empleados, de acuerdo con recomendaciones dadas en estudios previos de optimización de régimen de soldadura [4], aparecen en la tabla 4. Estos parámetros permiten mantener homogeneidad en todos los ensayos con relación a la dilución y cantidad de material depositado por unidad de longitud del cordón, ya que se mantiene constante la razón entre relación velocidad de alimentación de los alambres y la velocidad de soldadura.

Tabla 4. Parámetros de soldadura empleados.

El ensayo de desgaste abrasivo se realizó por el método de rueda de goma – tipo B según la norma ASTM G 65-00 [8] – empleando un equipo fabricado por Welding Alloys LTDA. Para el ensayo de cada plancha – representativa de cada combinación de consumibles – fueron retiradas longitudinalmente 3 probetas, las cuales se cortaron y rectificaron para obtener dimensiones de 65x25x13 mm.

El abrasivo empleado en el ensayo de desgaste fue arena normal No. 100, NBR 7214. Se utilizó un disco, con anillo de goma con dureza 60 Shore, diámetro 228 mm y espesor de 12.7 mm.

Cada probeta fue sometida a un proceso previo de predesgaste durante 5 minutos, luego del cual se realizó una corrida de desgaste durante 10 minutos, seguida de una segunda corrida en idénticas condiciones; resultando en dos ensayos de desgaste en cada probeta con un total de 6 mediciones por cada combinación de consumibles. Antes de ser pesadas, con balanza con precisión de 0,1 g, las muestras fueron sometidas a un proceso de limpieza mediante ultrasonido.

Los parámetros fundamentales del ensayo de desgaste abrasivo se presentan en la tabla 5; el mismo fue evaluado en función de la pérdida de masa por unidad de distancia recorrida.

La dureza fue medida mediante el método Rokcwell según la norma ASTM E-18 [9], empleando un dorómetro modelo Mitutoyo DT 20, con penetrador cónico diamantado y carga de 150 Kgf.

Tabla 5. Parámetros del ensayo de desgaste.

3. ANÁLISIS DE RESULTADOS

3.1 COMPORTAMIENTO DE LA DUREZA

En la tabla 6 se muestran los resultados de dureza para cada combinación de consumible y en la tabla 7 aparece el resultado correspondiente del análisis de prueba de hipótesis de igualdad de medias, con un nivel de significación estadística de 0.05. A pesar de que en todos los casos los valores de dureza se encuentran en el rango característico de depósito para recargue duro base hierro y alto cromo, resulta interesante el análisis de la influencia sobre la misma de las diferentes combinaciones de electrodos.

Tabla 6. Resultados del ensayo de dureza por el método Rockwell C para cada combinación de consumibles (valores de dureza, valores de la media e intervalos de confianza).

Tabla 7. Resultados de la prueba de hipótesis de igualdad de medias de los valores de dureza para difrentes combinaciones de consumibles, con significación estadística de 0,05.

Los mayores valores de dureza (59-60 HRc) resultan estadísticamente iguales para las 4 combinaciones que incluyen los alambres tubulares tipo HC y CN con los alambres macizos ER 70S6 y ER 430, respectivamente (tabla 6).

Las combinaciones de ambos tipos de electrodos tubulares (HC y CN, respectivamente) con alambre macizo tipo ER 308L resultan en valores de dureza estadísticamente iguales entre sí (57 HRc), pero menores que las otras 4 combinaciones.

Se observa que la adición de electrodos macizos no energizados tipo ER 70S6 o ER 430 con electrodos tubulares tipo HC o CN no influye significativamente sobre la dureza de los depósito; mientras que la adición de electrodo macizo no energizado tipo ER 308L conduce a una ligera disminución de la misma (de 59-60 para 57 HRc).

Para tener criterio sobre el efecto que puede causar sobre la dureza la adición de alambre macizo no energizado en el proceso de soldadura FCAW, se puede hacer una comparación de los resultados obtenidos con resultados reportados en la literatura [10]; en los cuales se obtienen depósitos empleando como consumibles alambres tubulares tipo FeCrC y FeCrCNb (condiciones ETHC y ETCN figura 3, tomadas de [10]), similares a los electrodos tubulares HC y CN (tabla 1) sin adición de electrodo macizo no energizado, con parámetros de soldadura FCAW también similares.

La adición de electrodo macizo tipo ER 308L al electrodo tubular HC (condición HC 308L) no trae efecto significativo sobre la dureza, resultando ésta similar a la reportada para la soldadura sin adición de electrodo macizo (dureza 57 HRc, condición ETHC figura1); por el contrario, de acuerdo con la figura 3, la adición de electrodo macizo tipo ER 70S6 o ER 430 al electrodo tubular HC conduce a un incremento de la dureza de 57 HRc (condición ETHC) para 59-60 HRc (condiciones HC70S6 y HC430).

Figura 3. Comportamiento comparativo de los valores de dureza para los diferentes consumibles, con y sin adición de alambre macizo.

3.2 COMPORTAMIENTO ANTE EL DESGASTE

3.2.1 PÉRDIDA DE MASA

En la tabla 8 se muestran los resultados de la masa inicial y final de las probetas sometidas a desgaste en cada corrida; con dichos resultados se calcula la pérdida de masa para cada combinación de consumible en cada una de las corridas, así como el valor conjunto considerando ambas corridas (tabla 9).

Como se aprecia en la tabla 9 existe una tendencia de disminución de la pérdida de masa luego de la segunda corrida experimental, en comparación con la primera. Considerando que es suficiente el tiempo de estabilización del ensayo de desgaste (5 minutos de predesgaste) con relación a posibles efectos de acritud por deformación plástica, la diferencia apreciada entre la segunda y primera corrida podría estar asociada a efectos geométricos superficiales que intervienen en la formación de la huella de desgaste; entre estos efectos se puede citar la presencia de poros y sobre todo grietas, ilustradas de manera representativa en la figura 4.

Como se muestra en la figura 4-a, antes del ensayo de desgaste la superficie de la muestra en todos los casos presenta grietas cerradas, con bordes planos y regulares a su alrededor.

Después de la primera corrida se aprecia la formación de un tipo de escalón hacia el lado de la grieta dispuesto en dirección de la acción o movimiento relativo del abrasivo; de manera similar – formando colas de cometas – ocurre alrededor de los poros (figura 4-b). Como resultado se puede plantear que ocurre como una concentración de pérdida de masa inicial – o sea en estadios tempranos del ensayo – en la regiones descritas.

Figura 4. Imágenes, con detalles ampliados a la derecha, representativas de la superficie de las muestras sometidas a desgaste abrasivo antes del ensayo (a), después de la primera y segunda corrida (b y c respectivamente). Combinación de consumibles HC430.

Tabla 8. Valores de la masa inicial y final obtenida durante el pesaje de las probetas sometidas a desgaste.

Una vez alcanzada determinada dimensión de estas regiones podría ser probable la entrada de abrasivo en las mismas, formando una especie de colchón protector ante el desgaste, como consecuencia de la disminución del área de contacto directo de la superficie de la muestra con el agente abrasivo; con lo que se reduce o evita la concentración de pérdida de masa alrededor de los poros y/o grietas lo cual se refleja en la similitud apreciada entre en la huellas de desgaste de la segunda y primera corrida (figuras 3-c y 3-b, respectivamente).

Tabla 9. Valores de la pérdida de masa para cada combinación de consumibles, para cada corrida y resultados conjunto de ambas.

3.2.2 RESISTENCIA AL DESGASTE

A pesar de las diferencias observadas en la pérdida de masa entre una corrida y otra, de manera conjunta para cada combinación de consumibles los 6 valores obtenidos de pérdida de masa (3 de la primera corrida y 3 de la segunda), desde el punto de vista estadístico pertenecen a una misma población. Esto permite determinar la resistencia al desgaste (tabla 10) con los valores conjuntos de pérdida de masa, de manera que quede incluido en la determinación de este parámetro el efecto geométrico superficial (presencia de poros y grietas), anteriormente explicado, que forma parte del proceso global de desgaste que ocurre en la superficie de la muestra.

Teniendo en cuenta el análisis de prueba de hipótesis de igualdad de medias de la resistencia al desgaste para cada combinación de consumibles (tabla 11), los menores valores de resistencia al desgaste se obtienen en las 3 combinaciones de consumibles basadas en el electrodo tubular tipo HC; mientras que con el uso de electrodo tubular tipo CN la resistencia al desgaste es mayor. Por tanto, desde el punto de vista de la resistencia al desgaste resulta, resulta fundamental el tipo de electro tubular que se emplea.

Tabla 10. Valores de resistencia al desgaste para cada combinación de consumible.

Tabla 11. Resultados de la prueba de hipótesis de igualdad de medias de los valores de pérdida de masa y resistencia al desgaste para diferentes combinaciones de consumibles, con significación estadística de 0,05.

La adición de electrodos macizos tipo ER 70S6 y ER 308L, usando ambos tipos de electrodos tubulares (HC y CN) no ejerce influencia sobre la resistencia al desgaste, obteniéndose respectivamente valores estadísticamente iguales, independientemente del electrodo macizo empleado (25-26 (mg/m)-1 para la combinación con electrodo tubular tipo HC y 40-41 (mg/m)-1 para la combinación con electrodo tubular tipo CN).

La adición de electrodo macizo tipo ER 430 trae como resultado el efecto más favorable sobre el incremento de la resistencia al desgaste, siendo considerablemente superior cuando se combina con electrodo tubular tipo CN (resistencia al desgaste de 57 (mg/m) -1).

Para tener criterio sobre el efecto que puede causar la adición de alambre macizo no energizado sobre la resistencia al desgaste, se puede hacer una comparación de los resultados obtenidos con resultados reportados en la literatura [10], en los que se obtienen depósitos empleando como consumibles alambres tubulares tipo FeCrC y FeCrCNb (condiciones ETHC y ETCN [10] (figura 4), similares a los electrodos HC y CN, tabla 1), con parámetros de soldadura FCAW similares, pero sin adición de electrodo macizo no energizado.

La adición de electrodo macizo tipo ER 430 al electrodo tubular CN (condición CN430) conduce a un incremento de la resistencia al desgaste de 37,2 ± 6 (mg/m) -1 para 57,3 ± 4 (mg/m)-1 (figura5); por el contrario, la adición de electrodos macizos tipo ER 70S6 y ER 308L al electrodo tubular CN (condiciones CN 70S6 y CN 308L) no trae efecto significativo sobre la resistencia al desgaste, resultando la misma estadísticamente igual – con nivel de significación estadística de 0,05 – a la reportada para la soldadura sin adición de electrodo macizo (37,2 ± 6 (mg/m) -1, condición ETCN figura 2).

Figura 5. Comportamiento comparativo de los valores de resistencia al desgaste para los diferentes consumibles, con y sin adición de alambre macizo.

El hecho de que no se aprecia efecto significativo sobre la resistencia al desgaste por adición de electrodo macizo – condiciones CN 70S6 y CN 308L comparadas con la condición ETCN – conduce a suponer que la dilución no resulta una variable decisiva cuando de resistencia al desgaste de aleaciones FeCrCNb se trata, a pesar de que en la literatura se reporta lo contrario [12].

También se aprecia un efecto significativo sobre la resistencia al desgaste con la adición al electrodo tubular tipo HC de cualquier tipo de los 3 electrodos macizos empleados; lográndose incrementos de la misma entre 2 y 3 veces.

Por tanto, dependiendo de la combinación electrodo tubular – electrodo macizo, con la adición de electrodo no energizado (proceso FCAW- DWOA) puede lograse o no un incremento de la resistencia al desgaste con respecto a los valores que se logran con soldadura FCAW.

3.3 RELACIÓN ENTRE DUREZA Y RESISTENCIA AL DESGASTE

Como se aprecia en la figura 5, no existe una correlación directa entre los valores de dureza y los valores de resistencia al desgaste de los diferentes depósitos. En este sentido no se percibe una regularidad con relación al uso de determinado electrodo tubular o macizo.

Figura 6. Relación entre dureza y resistencia al desgaste para los diferentes depósitos.

De acuerdo con la tabla 7, se distingue que cuando se emplea electrodo macizo tipo ER 430 con ambos electrodos tubulares (HC y CN, respectivamente) no se aprecian cambios en la dureza, mientras que la resistencia al desgaste varia en 2 veces (figura 6). El empleo de electrodo macizo tipo ER 308L o Er 70S6 con ambos electrodos tubulares (HC y CN, respectivamente) – que tampoco provoca cambios en la dureza (tabla 7) – implica que la resistencia al desgaste varíe en 1,5 veces (figura 6). En todas las combinaciones con electrodos macizos el uso de electrodo tubular CN conduce a resultados superiores de dureza y resistencia al desgaste (figura 6).

A pesar de que en la literatura existen diferentes enfoques con relación a la relación entre dureza y resistencia al desgaste [11], los resultados obtenidos indican que la adición de electrodo macizo, a pesar de que no conduce a una variación de la dureza, puede provocar un cambio de la resistencia al desgaste entre 1,5 y 2 veces; mientras que el efecto del electrodo tubular resulta menos significativo.

4. CONCLUSIONES

Dependiendo de la combinación electrodo tubular – electrodo macizo que se seleccione, con la adición de electrodo no energizado puede lograse o no un incremento de la dureza y la resistencia al desgaste con respecto a los valores que se logran con soldadura FCAW sin adición de alambre macizo; resultando más factible la adición de electrodo macizo ER 70S6 (tipo cero al carbono) por ser más barato y dar resultados tecnológicamente similares a los obtenidos con las demás combinaciones.

La presencia de poros y/o grietas en la superficie de la muestra sometida a ensayo de desgaste abrasivo modifica la conducta de la misma, acelerando el fenómeno de desgaste en estadios primarios por pérdida de masa localizada alrededor de estos defectos.

El empleo de electrodo tubular CN (tipo FeCrCNb) permite valores superiores de dureza y resistencia al desgaste en comparación con el electrodo HC (tipo FeCrC), cuando son combinados respectivamente con los electrodos macizos ER 70S6, ER 308L y ER 430.

5. REFERNCIAS DE LA LITERATURA

[1] Correa O. Avaliação da resistência ao desgaste de ligas desenvolvidas para solda de revestimento duro para uso sob condições altamente abrasivas. Ph. Dr. Tesis. Universidade Federal de São Carlos. São Carlos.SP, Brasil. 2005. p. 171.

[2] Tarcio dos Santos et al. Desenvolvimento e estudo da viabilidade de um injetor de arame adicional para o processo de soldagem MIG/MAG e FCAW. 6th Brazilian Conference on Manufacturing Engineering. 11-15 de abril. Caxias do Sul , RS, Brasil. 2011.

[3] Maciel M et al. Estudo teórico e prático sobre as características econômicas do processo FCAW- DWOA. XXXVII Congresso Nacional de Soldagem. 03 – 06 de octubre. Natal, RN, Brasil. 2011.

[4] Carmona G. Aplicação de revestimento duro utilizando o processo arame tubular com e sem adição de arame não energizado para diferentes tipos de consumíveis. MSc Tesis. Universidade Federal de Uberlandia. Uberlandia, MG, Brasil. 2011. p. 120.

[5] Sábio A. Estudo da Viabilidade Operacional do Processo de Soldagem MAG com Alimentação Adicional de Arame Frio. M.Sc. Tesis. Universidade Federal do Pará, Belém, PA, Brasil. 126 p. 2007.

[6]-Welding Alloys Group. On line cataloge. www.welding-alloys.com. [7]-Weld-inox. On line cataloge. www.weldinox.com.br.

[8] ASTM G65-00. Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/ruber whel aparatus. ASTM International. 2000.

[9] ASTM E18. Standard test methods for rockwell hardness of metallic materials. ASTM International. 2000.

[10] Coelho L. Estudo da aplicação de revestimento duro por soldagem com arames tubulares quanto à resistência ao desgaste de facas picadoras de cana-de-açúcar. Ph. Dr. Tesis. Universidade Federal de Uberlandia. Uberlandia, MG, Brasil. 2008. p. 232.

[11] Coelho L. Ferraresi V. Análise da microestrutura e da resistência ao desgaste de revestimento duro utilizado pela indústria sucroalcooleira Soldagem e Inspeção. Vol. 14, No. 2, p.140-150. 2009.

[12] Carmona G, Ferraresi V. Influência da técnica de soldagem e do tipo de metal de adição na resistência ao desgaste de revestimento duro. 6th Brazilian Conference on Manufacturing Engineering. 11-15 de abril. Caxias do Sul , RS, Brasil. 2011.

Autor:

Rafael Fernández Fuentes

Amado Cruz Crespo

Centro de Investigaciones en Soldadura, Universidad Central Marta Abreu de Las Villas, Cuba

Valtair Antonio Ferraresi

Rafael Ariza

Americo Scotti

Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Federal de Uberlandia, Brasil