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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A2a Materiales: Recubrimientos y Manufactura
“Evaluación de un electrodo para electroerosión proyectado térmicamente con una aleación Cu-Al”
M.C. Raúl Gilberto Valdez Navarroa*, Dr. Arturo Barba Pingarrón
b, Dr. Miguel Ángel Hernández
Gallegosb
, Dra. Alba Covelo Villarb
, M.I. Romero Hernández Jorgea, Ing. Luna Monroy Victor
Manuela
aDepartamento de Ingeniería de Diseño y Manufactura, Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad
Universitaria, Distrito Federal, C.P. 04510, México. bCentro de Ingeniería de Superficies y Acabados, Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, Ciudad
Universitaria, Distrito Federal, C.P. 04510, México.
R E S U M E N
La finalidad de este trabajo es evaluar en la aplicación del proceso de electroerosión por penetración, un electrodo
maquinado en acero de bajo carbono y recubierto con una aleación Cu-Al C623 mediante proyección térmica por llama
con alimentación de alambre. Los electrodos recubiertos se evaluaron mediante pruebas de adherencia, resistencia
eléctrica, y mediante el proceso de electroerosión por penetración para verificar su desgaste y acabado final de la huella
de trabajo.
El recubrimiento utilizado, bajo ciertas condiciones mejora las propiedades superficiales del sustrato al ser utilizado en
el proceso de electroerosión por penetración haciendo viable su uso.
Palabras Clave: Electroerosión por penetración, Proyección térmica, aleación C623.
A B S T R A C T
The purpose of this work is to evaluate in the application of the EDM process, an electrode machined in low carbon steel
and coated with a Cu-Al C623 alloy by thermal spray with wire feed. The coated electrodes were evaluated by adhesion
tests, electrical resistance, and by the EDM process to verify their wear and final finishing of the work footprint.
The coating used, under certain conditions improves the surface properties of the substrate to be used in the penetration
EDM process, making its use viable.
Keywords: EDM process, Thermal spray.
1. Introducción
La proyección térmica es una técnica de recubrimiento por
anclaje mecánico utilizado para modificar las propiedades
superficiales de una pieza o componente, mediante la
recuperación de la superficie dañada o desgastada,
también se puede ocupar para dar mantenimiento o
mejorar las propiedades mecánicas, eléctricas o térmicas
del sustrato[1][2].
Para este trabajo se utilizó el proceso de proyección
térmica con alimentación de alambre, y mediante la
aplicación de este proceso se pretende mejorar las
características de un sustrato en la elaboración de
electrodos evaluando sus características y beneficios para
su utilización en el proceso de Electroerosión por
penetración
1.1. Proyección térmica.
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Proyección térmica es un término genérico para un grupo
de procesos de recubrimiento, utilizados para aplicar
recubrimientos metálicos y no metálicos. Estos procesos
se agrupan en tres categorías principales: Proyección por
flama, proyección por arco eléctrico y proyección por arco
plasma. Estas fuentes de energía son utilizadas para
calentar el material de revestimiento (en forma de polvo,
alambre, o en forma de varilla) a un estado fundido o
semifundido [3]. Las partículas calentadas resultantes son
aceleradas y propulsadas por cualquier proceso con gases
o atomización hacia una superficie preparada.[4]
Una característica de la proyección térmica es la gran
variedad de materiales que pueden ser utilizados para
generar recubrimientos, tales como metales y aleaciones,
cerámicos e incluso polímeros.
1.2. Electroerosión por penetración.
La electroerosión es un procedimiento que basándose en
el empleo directo de una corriente eléctrica consigue la
fiel reproducción de la forma de un electrodo útil de
manera automática, en una pieza determinada, si bien en
forma complementaria, o sea que una forma positiva
genera una negativa y viceversa.
Para llevar a cabo su cometido de reproducción de formas,
la electroerosión requiere utilizar corrientes pulsantes
unidireccionales de elevada energía.[5]
Se muestra el diagrama básico de electroerosión por
penetración en la Figura 1.
Figura 1. Diagrama básico de electroerosión.[6]
2. Experimentación
La elaboración de electrodos recubiertos para su
evaluación y aplicación en el proceso de electroerosión se
realizó bajo la siguiente metodología.
1. Manufactura del electrodo a recubrir
2. Preparación del electrodo a recubrir
3. Generación del recubrimiento
4. Maquinado del recubrimiento
5. Evaluación de electrodos
6. Análisis de resultados
Se requirió la preparación de 6 electrodos, 3 recubiertos y 3 de Cobre electrolítico a los que se les realizó 3 pruebas
de electroerosión a cada uno con diferentes tiempos de
erosión (TON) y tiempo de pausa (DT) cada una y se registró la pérdida de masa (LM) posterior al experimento,
rugosidad Ra promedio de huella y el tiempo de erosión.
La siguiente tabla muestra el diseño experimental.
Tabla 1 – Diseño experimental.
Pieza
Cu-Al
LM
[g]
T
[min]
Ra
[m]
Pieza
Cobre
LM
[g]
T
[min]
Ra
[m]
Pieza 1
TON5s
DT 48%
Pieza 1
TON5s
DT48%
Pieza 2
TON10s
DT 65%
Pieza 2
TON10s DT
65%
Pieza 3 Pieza 3
TON20s
DT 76% TON20s
DT76%
Paralelamente se obtuvieron 6 probetas más a las que se
les midió la rugosidad previa deposición del
recubrimiento y la adherencia.
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2.1. Electrodos a recubrir.
2.1.1. Manufactura.
Se manufacturaron en torno convencional en acero de bajo
carbono con una longitud de 5cm cada pieza, maquinando
los extremos dejando una superficie lateral plana, y en el
otro extremo cuerda interna con machuelo 3/8 cuerda
estándar a una profundidad de 2cm como se muestra en la
Figura 1 [8].
Figura 1. Maquinado de electrodos en torno convencional,
a)careado, b)centrado, c) y d)perforado, e)cilindrado,
f)machueleado.
2.1.2. Limpieza.
Se realizó un proceso de limpieza química por medio de
alcohol para remover residuos de grasa y partículas
adheridas a los electrodos recién manufacturados y
finalmente envueltos y protegidos en papel inhibidor de la
corrosión [9].
2.1.3. Rugosidad.
Las probetas maquinadas y libres de residuos se
granallaron utilizando granalla de óxido de aluminio
(𝐴𝑙₂𝑂₃) malla 12 para generar rugosidad en la superficie
plana de los electrodos, preparándolos antes de la
proyección térmica para mejor adherencia del
recubrimiento.
2.2. Generación del recubrimiento.
2.2.1. Parámetros de la proyección térmica.
Los parámetros utilizados para la generación del
recubrimiento fueron los siguientes [10]:
Tipo de equipo: Pistola para proyección térmica por
flama con consumo de alambre.
Material empleado en la proyección térmica: Alambre
aleación C623 (70Cu-Al).
Gases utilizados: Oxígeno y acetileno.
Presión de salida de oxígeno: 1.2 kg/cm².
Presión de salida de acetileno: 0.98 kg/cm².
Flujo para oxígeno: 58 SCFH.
Flujo para acetileno: 25 SCFH.
Presión del aire a la salida del compresor: 7 kg/cm².
Espesor del recubrimiento: 2mm por capa.
Distancia de proyección: 20cm.
Angulo de proyección: 90ᵒ considerando la llama
perpendicular al sustrato.
Velocidad del alambre: 60 cm/min
Temperatura de precalentamiento del sustrato: 150ᵒC.
2.2.2. Proyección térmica.
La generación de recubrimiento se realizó mediante el
proceso de proyección térmica con alimentación de
alambre, donde los electrodos maquinados en acero de
bajo carbono fueron precalentados a 150ᵒC, y proyectados
con la aleación C623.
Se realizó el proceso de proyección térmica en tres partes,
en cada parte se generó recubrimiento de 2mm
aproximadamente dejando enfriar el electrodo recubierto
durante 5 minutos antes de aplicar una segunda capa de
recubrimiento hasta que se obtuvo aproximadamente 5 a
7mm de espesor total, dejando enfriar finalmente el
electrodo a temperatura ambiente. En la Figura 2 se
muestra el electrodo de acero bajo carbono después del
proceso de proyección térmica con alimentación de
alambre.
a) b) c)
d) e) f)
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Figura 2. Electrodo acero de bajo carbono después de generar
recubrimiento
2.3. Maquinado del recubrimiento.
Después del proceso de proyección térmica, se obtuvo él
electrodo con recubrimiento en su forma más burda.
Se realizó el maquinado de los electrodos en un torno
convencional hasta conseguir la medida requerida, a la
cual se estandarizaron todos los electrodos recubiertos
antes de ser sometidos a evaluación, dicha medida a la que
se maquinaron los electrodos se fijó en ½ pulgada de
diámetro, este proceso solo se realizó en el extremo
recubierto del electrodo manteniendo las dimensiones del
electrodo íntegras en el extremo roscado como se muestra
en la Figura 3.
Figura 3. Maquinado de electrodos recubiertos en torno
convencional
2.4. Evaluación de electrodos.
2.4.1. Rugosidad.
Una vez granalladas las probetas, se analizó la rugosidad Ra promedio para las probetas granalladas durante 5 min
con el rugosímetro marca Mitutoyo, modelo Surfest 402 se muestra el equipo en la Figura 4.
Figura 4. Maquinado de electrodos en torno convencional
2.4.2. Adherencia.
A 6 probetas proyectadas térmicamente con la aleación
Cu-Al C623, se les realizó pruebas para medir la
adherencia entre el recubrimiento y el sustrato con el
equipo “ELCOMETER Pull-Off 106” el cual se muestra
en la Figura 5. El recubrimiento se adhirió a las piezas de
trabajo (dollies) colocándole un adhesivo bicomponente
dejándose secar durante 120 horas, para después realizar
las pruebas.
Figura 5. Equipo de Pull-Off utilizado.
2.4.3. Conductividad.
Para las mediciones de resistencia se ocupó el equipo:
“Multímetro Digital HP 3478A”, el cual se muestra en la
Figura 6. Con dicho equipo se realizaron las mediciones
de resistencia de los cables y alambres utilizados para
mediciones, se midió la resistencia de una barra de
aleación C623 antes de ser proyectada con 3.18mm de
diámetro y 137mm de largo. Y finalmente se midió la
resistencia de la probeta completa y del recubrimiento
proyectado.
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Figura 6. Multímetro digital HP3478A
2.4.4. Electroerosión por penetración.
Se realizó tres series de 3 pruebas cada una para una
probeta elaborada de cobre electrolítico y para una probeta
de acero recubierto mediante proyección térmica. Se
varió el tiempo de descarga, fijando los transistores a
emplear por la máquina en 2 y la profundidad de
penetración en 1mm.
Al finalizar cada prueba en la electroerosionadora se
restauró el electrodo utilizado, tanto el de cobre
electrolítico como el electrodo de acero recubierto,
retirando la parte desgastada y puliendo nuevamente
hasta obtener acabado espejo en la superficie. Se muestra
en la Figura 7 la máquina electroerosionadora utilizada
para la evaluación de los electrodos.
Figura 7. Máquina Electroerosionadora.
De dicha evaluación, se obtuvieron después de cada
proceso el tiempo de maquinado, pérdida de masa de los
electrodos.
3. Resultados.
3.1. Resultados rugosidad.
El promedio de rugosidad en todas las probetas analizadas es de 9.75μm. La Tabla 2. Muestra los resultados
obtenidos en la medición de rugosidad Ra promedio para
6 probetas granalladas durante 5 minutos.
Tabla 2 – Resultados de rugosidad.
Número de probeta Rugosidad Ra (μm)
01 10.0
02 10.5
03 8.8
04 9.3
05 10.8
06 9.1
3.2. Resultados pruebas de adherencia.
En las pruebas realizadas para adherencia, se encontraron
3 casos:
El adhesivo se desprendió completamente del
recubrimiento en donde se desprendieran muy
pequeñas partículas del recubrimiento. Probetas 2, 5 y
6.
Se desprendió parte del adhesivo quedando una parte
en el recubrimiento y otra parte en el Dolly. Probetas 1
y 3.
Se desprendió parte del recubrimiento mostrando que
la fuerza de adherencia entre el recubrimiento con el
sustrato es mayor que la fuerza de adherencia entre los
splats del proceso de proyección térmica. Probeta 4.
Las probetas recubiertas mediante proyección térmica se
muestran después de las pruebas de adherencia en la
Figura 8.
Figura 8. Probetas después de las pruebas de adherencia.
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El promedio de esfuerzo en el que se desprendió el
adhesivo para las 6 pruebas es de 7.583 [MPa]. Sin
embargo ninguno de los recubrimientos desprendió del
sustrato, por lo que la adherencia entre éstos se puede
considerar mayor a 10.5[MPa]. La Tabla 3. Muestra los
resultados obtenidos en la medición con el equipo Pull-
Off.
Tabla 3 – Resultados de pruebas de adherencia.
Número de probeta Adherencia (MPa)
01 8.5
02 7.5
03 6
04 10.5
05 7
06 6
Se puede observar que hay una relación directamente
proporcional entre la rugosidad de las probetas y la
adherencia que tienen con el recubrimiento.
3.3. Resultados pruebas de conductividad.
En las pruebas elaboradas para conocer las resistencias de
la probeta proyectada térmicamente así como de la
aleación C623 antes de ser proyectada en su forma de
barra delgada se obtuvieron los resultados mostrados en la
Tabla 4:
Tabla 4 – Resultados conductividad.
Material Resistencia
(Ω)
Resistividad
(Ω·m)
Conductividad
1/(Ω·m)
Barra delgada aleación C623
0.259 1.1594x10⁻⁶ 86.251x10⁴
Sección recubrimiento proyectado
0.993 28x10⁻³ 0.357 x10²
Sección acero de bajo carbono- aleación C623
3.347 66.11x10⁻³ 0.151x10²
Se puede observar que la aleación empleada para el
recubrimiento sufre una disminución importante en su
capacidad para conducir la electricidad después de haber
sido sometida al proceso de proyección térmica. Lo
anterior puede deberse a la inclusión de óxidos y
porosidades en el recubrimiento.
3.4. Resultados pruebas de electroerosión.
Los datos recabados de las pruebas de electroerosión
fueron pérdida de masa después del proceso y tiempo
requerido para el proceso.
Los resultados para la primera serie en valores promedio
para el electrodo recubierto y el electrodo maquinado en
cobre electrolítico se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5 – Resultados Tiempo descarga=5s, Tiempo pausa=48%.
Datos recabados Cobre
electrolítico
Electrodo
recubierto
Tiempo requerido 12.66[min] 4.69[min]
Perdida de masa LM 0.0492[g] 0.0976[g]
Rugosidad final Ra 3.207 [µm] 3.270 [µm]
Los resultados para la segunda serie en valores promedio
para el electrodo recubierto y el electrodo maquinado en
cobre electrolítico se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6 – Resultados Tiempo descarga=10s, Tiempo pausa=65%..
Datos recabados Cobre
electrolítico
Electrodo
recubierto
Tiempo requerido 40.51[min] 44.42[min]
Pérdida de masa LM 0.1788[g] 0.5051[g]
Rugosidad final Ra 5.342[µm] 4.496[µm]
Los resultados para la tercera serie en valores promedio
para el electrodo recubierto y el electrodo maquinado en
cobre electrolítico se muestran en la Tabla 7.
Tabla 7 – Resultados Tiempo descarga=20s, Tiempo pausa=76%.
Datos recabados Cobre
electrolítico
Electrodo
recubierto
Tiempo requerido 8.80[min] 5.01[min]
Pérdida de masa LM 0.1193[g] 0.021[g]
Rugosidad final Ra 4.151[µm] 4.210[µm]
Se puede observar que cuando se emplea un tiempo de
descarga de 5s, el electrodo recubierto tarda solo un 37% del tiempo que le toma al electrodo de cobre electrolítico realizar la penetración con resultados muy
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similares en el acabado superficial del maquinado; REFERENCIAS
aunque el desgaste del electrodo es casi del doble. Para
la segunda prueba, cuando se emplea un tiempo de
descarga de s, el electrodo recubierto tarda solo un 9.6% más del tiempo que le toma al electrodo de cobre
realizar la penetración con resultados más favorables en el acabado superficial de la pieza maquinada sacrificando la
pérdida de masa del electrodo hasta un valor de 285% más
que el electrodo de cobre electrolítico. Finalmente para tercera prueba, cuando se emplea un tiempo de descarga
de 20s, el electrodo recubierto tarda solo un 57% del
tiempo que le toma al electrodo de cobre electrolítico realizar la penetración con resultados muy similares en el
acabado superficial del maquinado y con solo un 17% del
desgaste que sufre el electrodo de cobre electrolítico.
4. Conclusión
En relación a la adherencia del recubrimiento con el
sustrato, se obtuvo que el esfuerzo máximo al que se
desprendió el adhesivo del recubrimiento fue de 10.5
[MPa], sin presentar desprendimiento en la intercara entre
éstos, considerándose entonces que los parámetros de
rugosidad de sustrato, precalentamiento y de la
proyección fueron apropiados para el desempeño del
sistema planteado.
A pesar de que la resistividad calculada en la aleación
C623 antes de ser proyectada térmicamente es mucho
menor que en el material después de ser proyectado, se
pudo encontrar algunas combinaciones de parámetros que
permitieron mejorar su desempeño respecto al cobre
electrolítico.
Respecto a la evaluación de los electrodos recubiertos
mediante proyección térmica, se puede concluir que es
viable la utilización para el proceso de electroerosión,
mostrando acabados superficiales en la pieza trabajada
similares e incluso mejores en las pruebas realizadas, y
mejorando el tiempo de electroerosión reduciéndolo
aproximadamente un 43% y mejorando un 568% la
pérdida de masa respecto al electrodo de cobre
electrolítico para los siguientes valores, Ton=20μs,
dt=76% y ts=2, lo cual hace que sea muy atractivo su
utilización en procesos de maquinado por electroerosión
incluso teniendo en cuenta la disminución del costo en
términos de materiales para fabricación de electrodos.
Se considera pertinente continuar con la investigación
para evaluar la posibilidad de encontrar mayor cantidad de
combinación de parámetros que permitan establecer un
rango de operación del equipo de electroerosión por
penetración con el electrodo propuesto con la finalidad de
brindar la posibilidad de hacer más flexible el proceso de
manufactura.
[1] Romero López, J.A. (2013). Recubrimiento dual por proyección térmica por flama de polvos y alambre simultaneamente.(tesis de licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México, D.F. México.
[2] Tiznado Urbina A., Castillo Valdés J.
(2015).Caracterización del desgaste y resistencia a la corrosión de un recubrimiento de acero inoxidable proyectado térmicamente (tesis de licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México, D.F. México.
[3] Parra Gómez, M.P. (2016). Obtención y evaluación
electroquímica de recubrimientos por niquelado químico sobre aceros proyectados térmicamente con cobre y una aleación cobre-aluminio.(tesis de licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México, D.F. México.
[4] J.R Davis & Associates. Handbook of thermal spray
technology. USA: ASM Thermal Spray Society.(2004).
[5] A. C. Graell, Electro-erosión: fundamentos de su
física y su técnica. Barcelona: Marcombo Ediciones
Técnicas. (2007)
[6] M. P. Groover, Fundamentos de manufactura moderna
Materiales, procesos y sistemas (3rd ed.). Mexico: Prentice Hall. (2007).
[7] L. Pawloski, The science and engineering of thermal
spray coatings.(2nd ed.). England: John Wiley & Sons,
Ltd. (2008).
[8] S. Kalpakjian, S. R. Schmid. Manufactura, ingeniería
y tecnología.(5th ed.). México: Pearson Educación
(2008).
[9] J. M. Albella, Láminas delgadas y recubrimientos.
Preparación, propiedades y aplicaciones. Madrid: Consejo
Superior de Investigaciones Científicas. (2003).
[10] Plasma Powders & Systems Incorporated Manual
for operation & maintenance of Spray Jet 98. (2002).
ISSN 2448-5551 MM 106 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
