Resistencia Al Desgaste e Impacto de Fundiciones Esferoidales

7/18/2019 Resistencia Al Desgaste e Impacto de Fundiciones Esferoidales

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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003 02-26

115

%C %Si %Mn %Mg %Cu %S %P %CE

C1 3,32 1,77 0,18 0,05 0,06 0,02 0,06 3,91

Tabla I. Composición química.

RESISTENCIA AL DESGASTE E IMPACTO DE FUNDICIONES ESFEROIDALESREFUNDIDAS MEDIANTE EL PROCESO GTAW

M. R. Martínez Gambaa, R. C. Dommarco

a, R. A. Martínez

b

aGrupo Tribología – INTEMA – Facultad de Ingeniería

b Div. Metalurgia – INTEMA – Facultad de IngenieríaUniversidad Nacional de Mar del Plata

Av. J. B. Justo 4302, B7608FDQ Mar del Plata – Argentina, e-mail: [email protected]

En este trabajo se evalúa la técnica de refusión de fundiciones esferoidales con el objetivo de mejorar sus

propiedades al desgaste para su posterior aplicación en la fabricación y reparación de componentes mecánicos.

Como resultado de estas refusiones mediante el proceso de soldadura GTAW se generan capas superficiales de

carburos, las cuales fueron caracterizadas microestructuralnente y evaluadas al desgaste por abrasión. También

se midieron las propiedades al impacto.

Palabras claves: Abrasión, impacto, refusión, microestructura.

1. INTRODUCCIÓN

Una de las técnicas empleadas en la fabricación y

reparación de elementos mecánicos de acero

sometidos a desgaste, es mediante el aporte por

soldadura de capas duras, con una importante

presencia de carburos resistentes a la abrasión. [1, 2, 3,

4, 5, 6]

Por otro lado, la metalurgia de las fundiciones muestra

que si la velocidad de enfriamiento durante la

solidificación se incrementa, se produce una tendencia

a la precipitación de carburos.

Cuando se realiza la refusión superficial de la

fundición de hierro, el sustrato sólido actúa como

sumidero de calor, generando una velocidad de

enfriamiento suficiente como para producir la

precipitación de carburos de hierro o blanqueo de la

superficie.

Si bien la presencia de carburos es beneficiosa para

mejorar la resistencia al desgaste, promueve una

disminución de la resistencia al impacto. Esta

característica resulta de importancia en aquellas

aplicaciones que combinan solicitaciones de impacto y

desgaste.

En el presente trabajo se realiza la refusión superficial

mediante el proceso GTAW (Gas Tungsten Arc

Welding) de fundición nodular [7], evaluando los

parámetros más ventajosos para mejorar la resistencia

al desgaste por abrasión. También se estudian los

cambios micro-estructurales y se cuantifican las zonas

afectadas por el proceso de refusión [8]. Los ensayos

mecánicos realizados sobre las muestras con refusión

consistieron en ensayos de impacto con péndulo

Charpy y ensayos de desgaste por abrasión mediante

un equipo con rueda de goma y arena seca (ASTM G

65).[9, 10, 11]

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

El material utilizado en el presente trabajo fue

obtenido en una colada experimental en la planta

Piloto de Fundición de la Div. Metalurgia del

INTEMA, con un horno de inducción de media

frecuencia y colado en bloques “Y” de una pulgada

(ASTM A897M). La composición química fue

determinada mediante un espectrómetro de emisión

óptica con excitación por chispa Baird DV6 (Tabla I).

La fundición mostró una nodularidad del 90 %, con

100 nod/mm2, de tamaño 6/7.

Cinco placas de 225x25x15 mm fueron extraídas de

los bloques Y. Cuatro de ellas fueron tratadas por

refusión en la condición “as cast” (una de ellas

precalentada a 300ºC mediante torcha oxiacetilénica).

La restante se modificó previo tratamiento térmico de

austemperizado (ADI) a una temperatura de 360°C

durante 120 minutos, austenizada a 880ºC.

La refusión se realizó con un equipo de soldadura

GTAW Hobart TR250-HF. En una primera instancia,

los cordones refundidos se realizaron utilizando tres

diferentes calores aportados (HI1 = 0,613 KJ/mm, HI2

= 0,710 KJ/mm y HI3 = 0,891 KJ/mm) determinando

ancho y profundidad de los mismos. Se realizaron los

cordones necesarios para cubrir la superficie expuesta

al desgaste. Utilizando el HI3, se precalentó una placa

(definida HI3-P) y se refundió una placa de ADI

(definida HI3-ADI).

La preparación de las muestras para su observación al

microscopio óptico, se realizó aplicando técnicas




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convencionales de corte, desbaste y pulido y el ataque

químico con Nital 2%.

Se relevaron los perfiles de microdureza Vickers en

función de la distancia desde la superficie refundida.

Los ensayos de desgaste por abrasión se realizaron

mediante un equipo con rueda de goma y arena seca,de acuerdo a la norma ASTM G 65-94 [7], utilizando

el procedimiento A. Los resultados se expresan en

pérdida de peso (∆P).

Los ensayos de impacto se realizaron sobre probetas

prismáticas de 10 x 10 x 55 mm sin entalla (ASTM E

23).

3. RESULTADOS Y DISCUSION

3.1 Caracterización de la Microestructura

La refusión superficial produce cambios micro-estructurales que permiten definir zonas

características, en forma similar a lo observado en un

cordón de soldadura [12, 13]. La Figura 1 muestra un

esquema de estos cambios, observándose una Zona

Fundida (ZF), una Zona Parcialmente Fundida (ZPF)

y una Zona Afectada por el Calor (ZAC). Las

dimensiones de estas zonas dependen de los

parámetros utilizados en la refusión. La Tabla II lista

las dimensiones medidas para la zona fundida, con los

distintos parámetros de refusión empleados.

Figura 1. Esquema de un “cordón” refundido,definiendo las diferentes zonas observadas.

Calor Aportado Ancho Penetración

HI1 5,80 1,25

HI2 6,80 1,40

HI3 7,10 1,80

HI3-P 7,65 1,50

HI3-ADI 7,00 1,90

Tabla II. Dimensiones del cordón de refusión en mm.

Tanto el ancho como la penetración de la ZF

aumentan con el calor aportado. El precalentamiento

(HI3-P) produce un aumento del ancho del cordón,

mientras que la penetración disminuye con respecto a

el mismo calor aportado (HI3).

El análisis metalográfico permitió identificar las

siguientes características de las diferentes zonas:

Zona Fundida (ZF): presenta una estructura de carburos

ledeburíticos, ya que en esta zona se refundió el metal y

solidificó con velocidades altas que impiden la

generación de estructuras correspondientes al diagrama

Fe-C estable, de modo que no se observa carbono libre

en su estructura. La microestructura es similar a la de

una fundición blanca (Figura 2).

Figura 2. Microestructura de la ZF (200x).

Zona Parcialmente Fundida (ZPF): En esta zona se

alcanza la fusión parcial del material. Durante elenfriamiento, el metal fundido se convierte en fundición

blanca. Se observa que la fusión parcial está

preferentemente localizada en las interfases carbono

matriz y en los contornos celulares (Figura 3)

Figura 3. Microestructura de la ZPF (200x).

Zona Afectada por el Calor (ZAC): El ciclo térmico

aplicado produce en el metal base un gradiente de

temperatura que se traduce en la aparición de diferentes

fases en el enfriamiento. A alta temperatura, la austenita

se satura con el carbono proveniente de los nódulos. A

temperatura ambiente las observaciones revelan unamartensita de aspecto basto.




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Hacia el interior de la fundición la cinética del proceso

(rápido calentamiento y posterior enfriamiento) hace que

la austenización gobernada por la difusión de carbono

desde los nódulos hacia la austenita se vea interrumpida,

dando como resultado nódulos rodeados de martensita

dentro de la matriz ferrítica original, con una estructura

tipo "bull's eye" invertido (Figura 4).

Figura 4. Microestructura de la ZAC (200x).

Precalentamiento. Se utilizó esta técnica, empleada en la

soldadura de aceros de medio y alto carbono y en

soldadura de fundiciones, con el objetivo de reducir los

porcentajes de martensita en las zonas afectadas por el

calor.

En estructuras “as cast” es recomendable la utilización

de precalentamiento no mayor a 300-350oC (ref). El

mismo, tiene por objetivo reducir el % de martensita de

la ZAC, como medio para mejorar las propiedades al

impacto de la muestra.. Utilizando un precalentamiento

mayor se producen efectos de sensibilización delcontorno celular y el autorecocido alrededor de los

nódulos de grafito.

ADI: Las zonas mencionadas anteriormente tienen las

mismas carácterísticas cuando se realizan refusiones

sobre placas austemperizadas,(ADI) se puede enunciar

como característica particular el aspecto de la ZAC. La

misma muestra una martensita de un aspecto más basto

que la observada en las ZACs de las placas “as cast”.

En la Figura 5 se observan los perfiles de microdureza

para los distintos tratamientos estudiados. Para cada

muestra se observan claramente diferentes niveles dedureza, correspondiente, de mayor a menor, a las zonas

ZF, ZPF, ZAC y material base, respectivamente.

Figura 5. Valores de microdureza desde la superficie

La distancia de los distintos niveles de dureza permite

cuantificar las dimensiones de las zonas descriptas

anteriormente.

3.2 Ensayos Mecánicos ( abrasión e impacto)

Los resultados de los ensayos de abrasión se observanen la Figura 6. El mejor valor de resistencia a la

abrasión corresponde a las muestras HI3-P. La

resistencia al desgaste del ADI-HI3 mostró valores

aceptables, considerando además que esta variante de

material posee la mayor tenacidad.

Figura 6. Pérdida de peso de las distintas muestras.

Ensayo de abrasión según norma ASTM G 65.

Los resultados de los ensayos de impacto se listan en

la Tabla III. La tenacidad más elevada fue observada

en las muestras austemperizadas, mientras que no se

evidenciaron diferencias importantes de energía

absorbida para las variantes de material con diferente

calor aportado.

Muestra Energía Absorbida*

HI1 7 Joules

HI2 6 Joules

HI3 8 Joules

HI3-P 5 Joules

HI3-ADI 11 JoulesTabla III. Valores de resistencia al impacto.

* Valores promedio de al menos tres ensayos

Las muestras precalentadas HI3-P muestran un valor

de energía más baja que las HI3, lo cual indica que el

precalentamiento no tuvo el efecto deseado. Esto se

debe al hecho de que si bien se pudo observar una

ZAC mas estrecha, al aplicar precalentamiento

crecieron las dimensiones de la ZF.

4. CONCLUSIONES

• Modificaciones superficiales por GTAW son posibles de obtener en fundiciones nodulares, con

espesores modificados superiores a otras técnicas, a

menudo de mayor costo.




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• Incrementar el calor aportado traerá aparejado

un mayor tamaño de la ZF, siendo esto beneficioso

para incrementar la resistencia al desgaste.

• Un tratamiento térmico de austemperizado

traerá aparejado un incremento en la microdureza de

la ZF y un lógico incremento en la tenacidad. Por otrolado, disminuye el espesor de la ZF.

• La utilización de precalentamiento no fue

beneficiosa para lograr un conjunto de propiedades

desgaste impacto adecuadas. Esto se debe a que el

precalentamiento disminuye el tamaño de la ZAC pero

aumenta las dimensiones dela pileta líquida que luego

se convierte en ZF. El aumento de la ZF (carburos)

empeora las propiedades al impacto.

5. REFERENCIAS

[1] Dai, W. S.; Lui, T. S.; Chen, L. H.; 1999, , Int. J.Cast Metals, 12, 119-125.

[2] Dai, W. S.; Lui, T. S.; Chen, L. H.; 1999, , Int. J.

Cast Metals, 12, 233-240.

[3] Chithambaram, S.; Chinnathambi, K.; Krishna

Kumar, R.; Prabhakar, O.; 1987, AFS Transactions,

401-410.

[4] Hemanth, J.; 2000, Wear, 21, 139-148.

[5] Distéfano, A.; Martínez Gamba, M.; Dommarco,

R.; Jornadas Metalúrgicas SAM 2000, Univ. Nac. del

Comahue, Neuquén, Argentina.

[6] Hemanth, J.; 1999, Materials Science and

Technology, 15, pp.878-884.

[7] R.A. Martínez, J.A. Sikora.. Anales SAM. 1990[8] R.A. Martínez, J.A. Sikora. Anales del Primer

simposio Argentino en Ciencia de Materiales, Mar

del Plata 1991

[9] M.R. Martínez Gamba, R.A. Martínez y R.C.

Dommarco. Jornadas SAM – CONAMET – AAS

2001, Septiembre de 2001 – Posadas, Misiones

[10] Ceccarelli, B.; Dommarco, R.; Martinez, R.;

Martinez Gamba, M.; Wear, 2003 Ref. WEA 9660.

En prensa.

[11] B.A. Ceccarelli, M.R. Martínez Gamba, R.A.

Martínez, R.C. Dommarco Anales del congreso

CONAMET/ SAM – SIMPOSIO MATERIA 2002.

Noviembre de 2002 Santiago de Chile, Chile[12] R.A. Martínez Tesis doctoral. Fac. de Ingeniería -

Universidad Nacional de Mar del Plata 20/12/93[13] R.A. Martínez, J.A. Sikora..Welding Journal,

Volume 74, Number 3, March 1995, pp. 65-70

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