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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
ANTONIO JOSÉ DE SUCRE
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO
UNIDAD REGIONAL DE POSTGRADO
ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO EN
RECUBRIMIENTOS DUROS APLICADOS POR SOLDADURA DE ARCO
MANUAL CON ELECTRODO REVESTIDO
ING. JUAN A. ALCÁZAR Y.
CIUDAD GUAYANA, ABRIL DE 2014
ii
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
ANTONIO JOSÉ DE SUCRE
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO
UNIDAD REGIONAL DE POSTGRADO
ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO EN
RECUBRIMIENTOS DUROS APLICADOS POR SOLDADURA DE ARCO
MANUAL CON ELECTRODO REVESTIDO
ING. JUAN A. ALCÁZAR Y.
Anteproyecto de Trabajo Especial de Grado
presentado ante la Dirección de Investigación
y Postgrado del Vicerrectorado Puerto Ordaz
como parte de los requisitos para optar al
Título Académico de Especialista en
Soldadura.
TUTOR: ING. MIRIAM ROMERO, ESP.
CIUDAD GUAYANA, ABRIL DE 2014
iii
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
ANTONIO JOSÉ DE SUCRE
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO
UNIDAD REGIONAL DE POSTGRADO
ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO EN
RECUBRIMIENTOS DUROS APLICADOS POR SOLDADURA DE ARCO
MANUAL CON ELECTRODO REVESTIDO
TUTOR: ING. MIRIAM ROMERO
Quien suscribe, Miriam Romero, Cédula de Identidad N°: 10.553.525, de
profesión: Ingeniero Metalúrgico y con Título de Postgrado en: Especialista
en Soldadura, declaro por medio de la presente que acepto la Tutoría del
presente Anteproyecto de Trabajo Especial de Grado titulado: Evaluación de
la resistencia al desgaste abrasivo en recubrimientos duros aplicados
por soldadura de arco manual con electrodo revestido, según las
condiciones establecidas en el Reglamento General de Estudios de Postgrado
de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”.
_________________________ Firma
C.I.: ______________
iv
ÍNDICE
Capítulo Pág.
ACTA DE ACEPTACIÓN DE TUTORÍA ................................................ iii
INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1
I EL PROBLEMA .............................................................................................. 3
1.1 Planteamiento del Problema ................................................... 3
1.2 Formulación del Problema ...................................................... 5
1.3 Objetivos ................................................................................. 5
1.3.1 Objetivo General ............................................................ 5
1.3.2 Objetivos Específicos .................................................... 5
1.4 Justificación ............................................................................ 6
II MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 7
2.1 Antecedentes de la Investigación ........................................... 7
2.2 Bases Teóricas ....................................................................... 9
2.2.1 Soldadura ...................................................................... 9
2.2.2 Soldadura de Arco Manual con Electrodo Revestido .. 10
2.2.3 Desgaste Abrasivo ...................................................... 12
2.2.4 Factores que Afectan el Desgaste Abrasivo................ 14
2.2.5 Recuperación de Piezas por Soldadura ...................... 17
2.2.6 Recubrimientos Protectores Ante el Desgaste ............ 19
2.3 Definición de Variables ......................................................... 20
III MARCO METODOLÓGICO .................................................................... 22
3.1 Tipo de Investigación ............................................................ 22
3.2 Nivel de la Investigación ....................................................... 22
3.3 Diseño de la Investigación .................................................... 23
v
3.4 Unidad de Análisis ................................................................ 23
3.4.1 Población ..................................................................... 24
3.4.2 Muestra ....................................................................... 24
3.5 Técnicas e Instrumentos para la Recolección
de Información ...................................................................... 25
3.6 Procedimiento y Análisis de Datos ........................................ 25
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................... 27
ANEXOS ........................................................................................................ 29
Anexo A. Cronograma de actividades ............ ¡Error! Marcador no
definido.
Anexo B. Recursos necesarios ...... ¡Error! Marcador no definido.
1
INTRODUCCIÓN
El desgaste abrasivo es un fenómeno presente en un sinnúmero de
procesos productivos a nivel mundial. Se basa en la degradación de un
material por la acción de un agente abrasivo, el cual deteriora la superficie con
la que se encuentra en contacto.
Este fenómeno ha desatado una ola de estudios a fin de minimizar sus
efectos en los equipos industriales, debido a que infiere en grandes costos de
mantenimientos para las empresas. Hoy en día, con las limitantes de
asignación de divisas para las industrias de producción nacional es importante
ofrecer alternativas más económicas que el remplazo de equipos. Es por lo
antes descrito que surge la soldadura de recargue o hardfacing como una
opción para la recuperación de piezas o componentes mecánicos.
El hardfacing se basa en depositar mediante soldadura un recubrimiento
metálico que resista la acción de las partículas abrasivas. Dicho recubrimiento
posee características específicas en cuanto a su composición química,
causando alcanzar durezas elevadas, mayores a la de los agentes abrasivos,
logrando así disminuir en gran medida sus efectos.
Actualmente son muchos los tipos de materiales de aporte para
recubrimientos duros que son fabricados, sin embargo, es importante conocer
la resistencia de cada uno para obtener las mejores prestaciones posibles del
proceso.
El estudio que se presenta a continuación se basa en estudiar el
comportamiento de tres diferentes recubrimientos duros aplicados mediante
soldadura de arco manual con electrodo revestido. Dicho estudio se enfocara
desde el punto de la evaluación de procesos de soldadura por determinación
2
experimental de una relación causa-efecto y en la caracterización química,
mecánica y metalúrgica de materiales soldados.
Esta investigación se basará en un diseño experimental formulado para
extraer muestras de cada uno de los recubrimientos y aplicar una serie de
ensayos para determinar la resistencia al desgaste abrasivo, dureza y
microestructura obtenida. Los resultados obtenidos ayudaran a brindar nuevas
alternativas al momento de realizar mantenimiento a los equipos de empresas
que estén expuestas a los efectos del desgaste abrasivo.
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
En este capítulo, se describirá el problema que ha incentivado la
elaboración de este trabajo, además se mencionarán los objetivos planteados
y se justificará la importancia del conocimiento de los resultados de la
investigación.
1.1 Planteamiento del Problema
En la industria, comúnmente son muchas las causas que tienden a
degradar superficialmente los componentes y secciones de los equipos
mecánicos, de producción o conformado, pudiendo ser mencionadas entre
éstas la corrosión, la fatiga y el desgaste. Este último es el principal
responsable de la salida de servicio de tales elementos.
Entre los factores que favorecen el desgaste de las piezas y/o componentes
mecánicos se pueden mencionar el mal diseño del elemento, el uso de
materiales no adecuados, un incorrecto acabado superficial, el uso de
lubricantes indebidos o la falta de éstos, entre otros. De acuerdo con el
mecanismo, el desgaste se puede clasificar en: abrasivo, adhesivo, corrosivo,
erosivo, por cavitación, por fatiga y por freeting.
El desgaste abrasivo se presenta por la interacción de dos superficies, en
donde una de éstas es más dura que la otra. Debido al esfuerzo aplicado, las
irregularidades o asperezas de la superficie más dura penetran sobre la más
blanda, causando deformaciones plásticas y la degradación del material por el
4
mecanismo de microcorte o microsurcado en el caso de los metales. El
desgaste abrasivo es un fenómeno presente en la industria minera, agrícola,
azucarera, de movimiento de tierras, petrolera, siderúrgica, entre otras.
La tribología es la ciencia que se encarga de estudiar el desgaste, la
abrasión y la lubricación para contrarrestar los efectos de los dos primeros en
los componentes industriales. Sin embargo, algunas aplicaciones de esos
componentes no permiten la lubricación como medio para disminuir el efecto
en ellos. Tal es el caso de la industria del movimiento de tierra, donde se
observa desgaste abrasivo en los dientes de corte de los equipos o en la
industria minera, donde el desgaste está presente en las mandíbulas de las
trituradoras de mineral o en los equipos para molienda.
Actualmente, se han estudiado nuevas alternativas que permitan recuperar
las piezas desgastadas por abrasión, con la finalidad de acortar los tiempos y
el costo de los mantenimientos. Una de éstas es la aplicación de
recubrimientos duros con soldadura mediante un proceso denominado
recargue o hardfacing. Con esto se logra recubrir la pieza con aleaciones
especiales ricas en elementos como cromo, tungsteno, manganeso, entre
otros, las cuales son menos susceptibles a la degradación por desgaste y a su
vez, incrementan la vida útil de los componentes mecánicos reconstruidos. Sin
embargo, al momento de realizar los recargues es sumamente importante
definir las variables adecuadas para el proceso de soldadura, así como
seleccionar cuidadosamente el tipo de material de aporte a utilizar de acuerdo
a la aleación con la que está fabricado el elemento a reparar y a la aplicación
final del mismo.
Debido a que la mayoría de los elementos mecánicos presentes en la
industria son importados, y a que en la actualidad la concesión de divisas para
las empresas nacionales se encuentran limitadas, lamentablemente muchas
5
de éstas se han visto obligadas a minimizar o paralizar sus operaciones a
causa de la escasez de repuestos, lo que genera una situación preocupante,
la cual debe ser atendida.
1.2 Formulación del Problema
El fenómeno de desgaste abrasivo es un problema presente en muchas
empresas de producción, causando el deterioro de los equipos y alargando los
tiempos de mantenimiento por la falta de repuestos debido a la situación del
proceso de importaciones en el país, lo que amerita ofrecer una alternativa que
permita solucionar de manera económica y eficiente la problemática
planteada.
1.3 Objetivos
A continuación, se mencionan los objetivos que se persiguen al realizar
esta investigación:
1.3.1 Objetivo General
Evaluar la resistencia al desgaste abrasivo de recubrimientos duros
aplicados por soldadura SMAW para la recuperación de piezas metálicas.
1.3.2 Objetivos Específicos
1. Desarrollar el procedimiento para la deposición por soldadura de tres
recubrimientos duros sobre un sustrato de acero ASTM A-36.
2. Determinar la resistencia al desgaste abrasivo del material depositado
bajo la norma ASTM G-65, en función del número de capas.
6
3. Determinar la influencia del carbono equivalente en la resistencia al
desgaste abrasivo.
4. Caracterizar mediante inspección visual por Lupa Estereoscópica y
Microscopía Óptica los recubrimientos obtenidos.
1.4 Justificación
La importancia de esta investigación radica en ofrecer a las diferentes
industrias afectadas por el desgaste abrasivo una solución sencilla y más
económica para la recuperación de las piezas y maquinarias fuera de servicio,
con el objeto de prolongar su vida útil para que puedan seguir operando.
Debido a las limitaciones que actualmente se imponen para la entrega de
divisas a las empresas, se ha generado un déficit en la adquisición de
repuestos y equipos de reemplazo para que las mismas puedan mantener su
operatividad en los niveles óptimos.
Siendo la soldadura un proceso tan versátil y de fácil acceso para su uso y
aplicación, es importante tomarlo en cuenta para este tipo de casos, puesto
que puede contraer beneficios en la mejora de procesos, de mantenimiento de
equipos, de calidad y de factibilidad económica en la recuperación de piezas
metálicas.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En el siguiente capítulo, se hará mención a los antecedentes,
generalidades y las bases teóricas que fundamentan la investigación
realizada.
2.1 Antecedentes de la Investigación
A continuación, se menciona en orden cronológico una serie de fuentes
consultadas, las cuales guardan relación con el tema propuesto, a fin de
obtener información de soporte para el análisis e interpretación de los
resultados que se obtendrán en esta investigación. De igual manera,
contribuyen a la formación de un marco teórico nutrido que permita la
comprensión del trabajo por parte del lector.
Gutiérrez, J.; León, L.; Mesa, D. y Toro, A. (2004), en su estudio para
evaluar la resistencia al desgaste de recubrimientos duros a fin de utilizarlos
en aplicaciones para la industria minera, evaluaron la resistencia de tres tipos
de recubrimientos en la máquina de arena seca con rueda de goma, mediante
el procedimiento A de la norma ASTM G65, determinando que aquel con
mayor resistencia presentaba una microestructura compuesta por carburos
primarios de tipo M7C3 sobre una matriz eutéctica. Indicaron que se observó
una mayor pérdida de masa en muestras que exhibieron austenita
proeutéctica. De igual manera establecieron que la dureza no es una
propiedad influyente en la resistencia al desgaste abrasivo, puesto que las
variaciones de ésta fueron pequeñas para los tres recubrimientos estudiados,
sin embargo hubo diferencias importantes en la resistencia a la abrasión.
8
Marulanda, J. y Trujillo, G. (2007), en su estudio de recuperación de piezas
desgastadas con recubrimientos protectores, recaban información teórica
sobre el desgaste y su clasificación, e indican varios métodos para la
recuperación de piezas de acuerdo al tipo de material con la que la misma esté
fabricada. Manifiestan que entre las ventajas de la recuperación de piezas, se
encuentra el aumento de la vida útil de ésta, la reducción de los costos de
mantenimiento y la reducción en los consumos de energía.
Zapata, A.; Marulanda, J. y Molina, J. (2007), en su estudio para la
recuperación de un molino de piedra caliza por medio de soldadura, aplicaron
recubrimientos duros con carburos de cromo y carburos complejos sobre
placas metálicas, las cuales fueron colocadas en el interior del molino para
evaluar su comportamiento al degaste, determinando que para un periodo de
operatividad de 10 meses los recubrimientos aplicados no presentaron daños
severos a causa del desgaste abrasivo, a diferencia de las zonas donde éste
no estaba presente. Concluyeron que el comportamiento de los recubrimientos
fue excelente, ya que aumentaron las horas de servicio del molino.
Kenchi, K. y Jayadeva, C. (2012), en su investigación acerca del efecto de
los procesos de soldadura sobre la microestructura y la resistencia al desgaste
abrasivo de recubrimientos duros, utilizaron dos tipos de electrodos
depositándolos mediante el proceso de soldadura SMAW. Evaluaron la
resistencia al desgaste en la máquina de arena seca con rueda de goma,
mediante la norma ASTM G65 y determinaron que elementos como cromo,
carbono, silicio, manganeso, azufre y fósforo, incrementan la resistencia al
desgaste en el mismo. Los autores concluyen que a mayor distancia de
abrasión, mayor es el desgaste y la carga que es aplicada tiene un efecto
menor en la degradación del recubrimiento. Sin embargo, cuando el
recubrimiento tiene una dureza elevada, para que éste se desgaste, la carga
aplicada debe ser mucho mayor.
9
2.2 Bases Teóricas
A continuación, se procederá a desarrollar un marco conceptual basado en
los términos necesarios para la fundamentación de este trabajo.
2.2.1 Soldadura
La soldadura, es un proceso de fabricación el cual se basa en la unión de
dos o más materiales, a fin de crear una junta íntegra y resistente. Los
materiales que componen la soldadura comúnmente se conocen como
material base y material de aporte; sin embargo, en algunos casos no se hace
uso de este último.
La American Welding Society (En adelante: AWS) define soldadura como
una coalescencia de materiales debido a la aplicación de calor, presión o la
combinación de ambos, haciendo o no uso de un material adicional conocido
como material de aporte (2001: 42).
Anteriormente, la soldadura era un proceso que se limitaba a la unión de
materiales metálicos. No obstante, en la actualidad, el desarrollo tecnológico
ha permitido hacer avances en el campo de la soldadura, logrando la unión de
otro tipo de materiales.
En relación a lo antes descrito, Jeffus, L. (2009: 6) manifiesta que es
importante señalar que al momento de hablar de soldadura se hace uso de la
palabra material debido a que actualmente, se pueden soldar una gran
cantidad de éstos, como es el caso del plástico, cristal y cerámica.
Debido a su versatilidad, actualmente la soldadura tiene una aplicación
amplia en la industria, pudiendo ser usada en la construcción de estructuras
10
como puentes y edificios, embarcaciones, aeronaves, vehículos, entre otros,
pues permite la unión de una extensa gama de materiales iguales o disímiles.
Siendo bien aplicado el proceso, permite la obtención de juntas capaces de
soportar los esfuerzos a los que vaya a estar sometida la misma.
2.2.2 Soldadura de Arco Manual con Electrodo Revestido
El proceso de soldadura de arco manual con electrodo revestido,
comúnmente llamado soldadura de varilla o soldadura SMAW por las siglas de
su nombre en inglés (Shielded Manual Arc Welding), es uno de los procesos
más versátiles de la soldadura por arco eléctrico. Sus inicios se remontan a
los años 80 en el siglo XVIII, pero no es hasta 1908 que Oscar Kjellber
desarrolla el electrodo revestido, capaz de producir soldaduras con
propiedades adecuadas.
Al respecto, Flores, C. (Fuente Electrónica), comenta lo siguiente:
Fue el primer método aplicado con grandes resultados, no solo de orden técnico, sino también de orden económico, ya que este proceso permitió el desarrollo de procesos de fabricación mucho más eficaces, y que hasta hoy en día solamente han sido superados por modernas aplicaciones, pero que siguen basándose en el concepto básico de la soldadura al arco con electrodo auto protegido.
Como indica el autor citado, actualmente son muchos los procesos que se
han desarrollado y tienen una mayor eficiencia que el proceso SMAW. Sin
embargo, muchos de éstos requieren de equipos especiales o de gran tamaño,
aunado a esto, poseen limitantes con respecto a las posiciones en las que
pueden realizar la soldadura, por lo que este proceso no ha podido ser
reemplazado por ningún otro.
11
En la figura 2.2, se muestra un esquema representativo del proceso de
soldadura de arco manual con electrodo revestido, indicando las partes y
componentes principales del mismo.
Figura 2.2. Soldadura de arco manual con electrodo revestido (a) Proceso global (b) Área de soldadura ampliada
Fuente: Kou, S. (2003)
Como se puede observar en la figura, el equipo para soldadura SMAW
consta de una fuente de poder, un par de cables y la pinza portaelectrodo.
Para la instalación y funcionamiento del equipo, la pinza portaelectrodo se
conecta mediante un cable de soldadura a un terminal en la fuente de poder.
De igual manera, la pieza a soldar es conectada por un segundo cable a otro
terminal en la fuente. El núcleo metálico del electrodo revestido conduce la
energía eléctrica al arco generando calor, que causa que tanto el núcleo como
el revestimiento del electrodo se fundan y formen gotas. Las gotas de metal
fundido se agregan al charco de soldadura y se solidifican formando el metal
de soldadura. Las gotas de recubrimiento fundido, que son menos densas,
12
flotan a la superficie y se solidifican en una capa de escoria sobre el metal de
soldadura.
2.2.3 Desgaste Abrasivo
La American Society for Testing Materials (En adelante: ASTM), define el
desgaste abrasivo como aquel causado por el movimiento de partículas o
asperezas duras a lo largo de una superficie, ocasionando la pérdida de masa
en ésta (2002: 1).
Este fenómeno se presenta en un gran número de procesos productivos,
los materiales se ven perjudicados por las partículas abrasivas o asperezas,
causando la degradación de la superficie sobre las que éstas actúan. Las
secuelas sobre la superficie dependerán de la intensidad del proceso, así
como también de la forma, tamaño y tipo de partículas abrasivas, además de
la estructura y material del cual esté fabricada la misma. Comúnmente, este
tipo de desgaste produce marcas longitudinales en dirección al movimiento
relativo de las partículas.
Existen dos formas de desgaste abrasivo, siendo estos el desgaste
abrasivo a dos cuerpos y el desgaste abrasivo a tres cuerpos. Al respecto,
Nathan, G. y Jones, J. (citado en Caicedo, H.; Valdés, J. y Coronado, J., 2005),
comentan lo siguiente:
El desgaste a dos cuerpos ocurre cuando las partículas abrasivas o asperezas están fijas en un segundo cuerpo que desliza sobre otro removiendo material. En el desgaste abrasivo a tres cuerpos las partículas están libres para rodar, de tal forma que no retiran material del primer cuerpo durante todo el tiempo que están en contacto.
13
Como es mencionado por los autores citados, el desgaste a dos cuerpos
se presenta cuando las asperezas duras de una superficie son deslizadas
contra otra, causando un desgaste prolongado mientras que exista interacción
entre ambas superficies. De igual manera, también se llama desgaste abrasivo
a dos cuerpos cuando en una de las superficies estan embebidas partículas
duras que sobresalen de esta y causan desgaste sobre la otra. En cambio, en
el desgaste a tres cuerpos las partículas tienen libertad de deslizarse o girar
entre ambas superficies, por lo que los rangos de desgaste en este tipo son
mucho más bajos que en primer caso.
A continuación, se muestra una imagen donde se representa de manera
esquemática el desgaste abrasivo a dos y a tres cuerpos.
Figura 2.4. Desgaste abrasivo (a) a dos cuerpos y (b) a tres cuerpos Fuente: Elaboración propia
En la Figura 2.4, para el caso (a), se detalla en color gris las asperezas
presentes en una de las superficies en contacto, y en color azul aquella
superficie que sufrirá el desgaste. En el caso (b), las partículas abrasivas se
muestran en color gris, y en color azul ambas superficies que interactúan con
éstas y que serán perjudicadas por el desgaste.
La degradación causada por el desgaste se presenta en los materiales
mediante cuatro mecanismos, los cuales actúan de acuerdo a la dureza del
material y el abrasivo. En la Figura 2.5 se muestran estos mecanismos.
14
Figura 2.5. Mecanismos de desgaste abrasivo (a) por microcorte, (b) por fractura, (c) por microsurcado y (d) por desconche. Fuente: Vásquez, R. (Fuente Electrónica)
En el primer caso se representa el mecanismo de microcorte, donde la
aspereza dura corta la superficie con una menor dureza. Cuando la superficie
es frágil, es común que se presente el caso (b), donde ocurre una fractura a
raíz del desgaste. Este mecanismo se presenta en los materiales cerámicos y
las partículas que se desprenden de la superficie son el resultado de
microgrietas que convergen entre sí. En el caso (c), el microsurcado ocurre
cuando la superficie es deformada constantemente, causando un efecto de
fatiga de bajo ciclaje. En el último caso, los granos se separan a causa del
agente abrasivo, siendo también un mecanismo común de los materiales
cerámicos.
Los mecanismos de microcorte y microsurcado son los que típicamente se
presentan en los materiales metálicos y el que se establezca dependerá de la
dureza de la superficie y de las partículas abrasivas.
2.2.4 Factores que Afectan el Desgaste Abrasivo
Como se ha mencionado anteriormente, son muchos los factores que
influyen en el desgaste, haciendo que el estudio sobre éste sea complejo,
15
además de una tarea multidisciplinaria. Dependiendo de las variables, el
material podrá sufrir más o menos desgaste. Al respecto Pérez, J. (2011: 10-
14), indica que los factores que influyen en el desgaste abrasivo son los
siguientes:
Propiedades del agente abrasivo: cambios en las partículas
abrasivas generan variabilidad en la tasa de desgaste. La dureza,
tenacidad y tamaño del abrasivo son variables que influyen
directamente en el desgaste del material. En el caso de la dureza, para
que haya desgaste, la dureza del agente abrasivo debe ser 1,2 veces
mayor que la de la superficie a desgastar.
Propiedades del material: para que el desgaste no afecte a la
superficie, se debe procurar una mayor dureza en la misma. La
microestructura es una variable importante, ya que la austenita y la
bainita presentan mayor resistencia a la abrasión que la ferrita, la perlita
o la martensita, debido al aumento en el endurecimiento por
deformación y en la ductilidad de la austenita. En el caso de la
estructura cristalina, el desgaste en metales cúbicos es cerca del doble
de los metales que poseen estructura hexagonal. Otras variables
influyentes son el módulo elástico, el límite de deformación, la
temperatura de fusión y la composición química.
Segunda fase: la presencia de una segunda fase mediante la
aplicación de tratamiento térmico modifica las propiedades del material,
principalmente aumentando la dureza y el límite de fluencia de este.
Precipitados: la presencia de carburos tiende a incrementar la
resistencia al desgaste abrasivo.
16
Forma de la partícula abrasiva: es una variable importante ya que
influye en el tamaño y forma de la huella plasmada sobre el material.
Para partículas y durezas superficiales constantes, el área de contacto
proyectada será constante, pero el área transversal de la ranura
causada por dicho contacto dependerá de la forma de la partícula.
Además de los factores ya descritos, Noriega, A. (2013: 18-19), menciona
otras variables a tomar en cuenta que también son influyentes:
Acabado superficial: a mayor cantidad de rugosidades en una
superficie en contacto y en movimiento relativo con respecto a otra,
mayor será la tasa de desgaste abrasivo por el desprendimiento de
material causado por el rozamiento de las protuberancias. Además de
esto, el material desprendido actuará también como agente abrasivo.
Velocidad: influye en la temperatura de la interface de deslizamiento.
Un aumento en la temperatura de la superficie sometida a desgaste
causa disminución en su dureza, por lo que la incidencia de las
partículas será mayor.
Carga: a mayor carga normal de las superficies, mayor será la tasa de
desgaste en el material.
Como se puede observar por la gran cantidad de variables o factores
influyentes en el desgaste abrasivo, es importante estudiar tanto las
superficies sometidas al desgaste como las partículas abrasivas, además de
varios factores operacionales, si se desea disminuir el efecto del fenómeno en
los materiales antes de tomar cualquier acción correctiva.
17
2.2.5 Recuperación de Piezas por Soldadura
La recuperación de piezas por soldadura es una práctica que surge como
medida para disminuir los costos de mantenimiento en las empresas donde el
desgaste de los elementos metálicos es un fenómeno comúnmente presente.
Es un proceso económico en comparación con la adquisición o suplantación
de equipos, más sin embargo, para ser aplicado requiere de personal
especializado, a fin de que brinde los resultados esperados.
El principio de recuperar piezas por soldadura se basa en depositar
aleaciones especiales sobre el material afectado por el desgaste, a fin de crear
una superficie que sea resistente a éste.
La efectividad de este procedimiento dependerá en gran parte de la
determinación del tipo o tipos de desgaste a los que está sometida la pieza, ya
que de esto dependerá el tipo de aporte a utilizar. Se debe escoger el
procedimiento de soldadura adecuado, de acuerdo a las condiciones del
material a reparar. Los materiales involucrados deben ser compatibles para
que la práctica sea exitosa, esto implica que debe existir un procedimiento de
soldadura calificado previamente. Una correcta preparación superficial antes
de ser depositado el recubrimiento protector también es importante. Es por ello
que se debe limpiar rigurosamente la superficie, eliminando todo rastro de
contaminantes como grasas, aceites y óxidos, además de verificar la presencia
de grietas, las cuales deben ser reparadas.
Rodríguez, L. (2013), menciona las razones, ventajas y desventajas de
recuperar piezas por soldadura. Entre las principales razones para ejecutar
este tipo de procedimientos se puede mencionar:
Prolongar la vida útil de las partes y equipos.
18
Indisponibilidad de piezas de repuesto de equipos claves que conllevan
a pérdidas cuantiosas en los procesos productivos.
Evitar el desgaste prematuro cuando las condiciones del proceso
implican cambios de dureza, forma y densidad de los materiales a
procesar.
Devolver a sus dimensiones originales una pieza o partes sujetas al
desgaste progresivo y continuo.
Las ventajas asociadas a la recuperación de piezas por soldadura se
mencionan a continuación:
Permite recuperar el procedimiento de un equipo en un tiempo
relativamente corto, comparado a una fabricación bajo pedido o compra
en el exterior.
Restituye las partes o piezas a sus dimensiones originales.
Utilizando un procedimiento adecuado, puede convertirse en una rutina
de mantenimiento bajo parámetros controlados.
Reduce los costos.
Con el advenimiento de nuevas tecnologías como el termorociado,
deposición química en fase de vapor (CDV) y la deposición física en
fase de vapor (PVD), prácticamente no hay limitaciones en los
materiales bases, suministrando poca distorsión y energía a la pieza a
ser recuperada.
A pesar de ser una práctica realizada comúnmente, este tipo de procesos
poseen desventajas, las cuales se mencionan a continuación:
La pieza a ser sometida a los procesos de recuperación por soldadura
sufre fatiga térmica debido al calor introducido. En el caso de piezas
delgadas o de materiales ligeros como aluminio, bronce o titanio se
19
recomienda el uso de termorociados y deposiciones termorociadas
físicas (PVD).
El posterior maquinado también influye en la fatiga del material o pieza
recuperada. Los tratamientos térmicos posteriores ayudan a minimizar
los esfuerzos, pero nunca logran devolver la pieza a su estado original.
Es necesario controlar los parámetros de la soldadura y debe existir un
procedimiento y poseer soldadores certificados y/o equipos de
soldadura aptos para la tarea.
Los procedimientos de menor afección en el material base normalmente
son los más costosos y requieren de instalaciones tecnológicamente
avanzadas.
2.2.6 Recubrimientos Protectores Ante el Desgaste
Como fue mencionado anteriormente, son muchos los tipos o mecanismos
de desgaste a los que puede estar sometida una pieza o componente
mecánico y en gran parte, a partir del conocimiento de éste, dependerá la
selección de un recubrimiento adecuado.
Noriega, A. Ob. cit. p. 22, menciona que existe un gran número de
recubrimientos en el mercado con los que se logran los resultados esperados,
sin embargo, al momento de seleccionar un recubrimiento es importante
conocer el grado de desgaste al cual está sometida la pieza o equipo, la
función del mismo y el metal base donde será aplicado el recubrimiento.
Rodríguez, L. Ob. cit., indica que la American Society for Metals (En
adelante: ASM), en el comité de Hardfacing, clasifica los recubrimientos
antidesgaste en cinco grupos, de acuerdo a los contenidos totales de
elementos aleantes diferentes del hierro, con subdivisiones sobre la base de
los principales elementos de aleación.
20
2.3 Definición de Variables
Las variables representan cualquier característica de la realidad que pueda
ser determinada por observación y que tienda a mostrar diferentes valores de
una unidad a otra (Fidias, A. 2006: 57). En esta investigación los tipos de
variables presentes son:
Variables Independientes, representada por la condiciones manipuladas
por el investigador a fin de producir o verificar un serie de efectos sobre las
variables dependientes.
Variables Dependientes, aquella en la que se basará el estudio y será el
objeto principal de observación para verificar alguna variación en la misma.
Variables Extrañas, son aquellas variables independientes que no son
manipuladas por el investigador, pero que puede presentar efectos sobre
la variable dependiente.
En la tabla 2.1, se muestra un resumen de las variables presentes en la
investigación.
Tabla 2.1 – Definición de variables estudiadas y presentes en la investigación.
Variables Independientes
Tipo de recubrimiento Número de capas
Variables Dependientes
Resistencia al desgaste abrasivo Dureza
Variables Extrañas
Voltaje Amperaje Velocidad de deposición Velocidad de enfriamiento Otros parámetros vinculados al proceso de soldadura
Fuente: Autor.
21
Como se puede observar en la Tabla 2.1, en este caso las variables
independientes son el tipo de recubrimiento y número de capas depositadas,
ya que serán aquellas variables que manipulará el investigador. Entre las
variables dependientes se encuentran la resistencia al desgaste abrasivo y la
dureza, las cuales se verán influenciadas por la manipulación de las variables
independientes. Las variables extrañas son el voltaje, amperaje, velocidad de
deposición, entre otros parámetros vinculados al proceso de soldadura, ya que
no serán manipulados una vez que éstos sean establecidos de acuerdo al
procedimiento de soldadura calificado.
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
En este capítulo se describirá la metodología a seguir para realizar esta
investigación, con la finalidad de facilitar la comprensión de los medios
utilizados para alcanzar los objetivos propuestos.
3.1 Tipo de Investigación
Una investigación científica puede tener un enfoque del tipo cualitativo,
cuantitativo o mixto (Hernández, R., Fernández, C. y Baptista M., 2010: 4). El
enfoque del tipo cuantitativo implica la aplicación de un método experimental,
una relación entre variables y una recolección de datos, haciendo uso de un
carácter deductivo, a fin de dar respuesta a las interrogantes planteadas en la
investigación, como en este caso, donde se manejaran una serie de variables
para determinar la influencias de éstas en la resistencia al desgaste abrasivo
de tres recubrimientos protectores.
3.2 Nivel de la Investigación
Desde el punto de vista cuantitativo, una investigación puede tener un
alcance o nivel del tipo exploratorio, correlacional, descriptivo o explicativo
(Hernández, R., Fernández, C. y Baptista M., Ob. cit. p. 78).
Fidias, A., Ob. cit. p. 25 – 26, indica que la investigación correlacional
determina el grado de relación que existe entre dos o más variables, mas no
indica cuales son las razones de la misma. La investigación explicativa se
23
encarga de terminar el porqué de un fenómeno o hecho buscando las causas
del mismo. Es por esto que el nivel de esta investigación es del tipo
correlacional explicativa, debido a que se determinará cuáles son las causas
del comportamiento de los recubrimientos duros aplicados por soldadura
relacionándolo con las variables que manipulará el investigador.
3.3 Diseño de la Investigación
El diseño de investigación se puede diferenciar entre el tipo no experimental
y experimental. El diseño experimental se aplica cuando a través de un
experimento se espera llegar a la causa de un fenómeno. Su esencia es la de
someter al objeto de estudio a la influencia de ciertas variables en condiciones
controladas y conocidas por el investigador (Hernández, R., Fernández, C. y
Baptista, M. Ob. cit. p. 120).
Los estudios experimentales se pueden dividir en: pre-experimentos,
experimentos puros o verdaderos y cuasiexperimentos. Los experimentos
puros o verdaderos requieren la manipulación de una o más variables
independientes, de manera intencional, considerando como causa una
relación entre variables. De acuerdo con la fuente de donde se recaban los
datos, el diseño de investigación se puede clasificar en diseño bibliográfico o
diseño de campo. En el caso de este último, los datos son recogidos
directamente del entorno real de la experimentación. Por lo antes descrito el
diseño de esta investigación es del tipo experimental, puro de campo.
3.4 Unidad de Análisis
La unidad de análisis define sobre qué o quienes se van a recolectar los
datos, y este depende del enfoque elegido para la investigación, del
planteamiento del problema a investigar y de los alcances del estudio.
24
Posterior a esto, se define la población y la muestra requerida para el estudio,
siempre que esto sea necesario (Hernández, R., Fernández, C. y Baptista, M.
Ob. cit. p. 127).
En esta investigación, la unidad de análisis será representada por tres
recubrimientos duros depositados mediante un procedimiento de soldadura
calificado sobre planchas de acero ASTM A-36.
3.4.1 Población
La población, se define como la totalidad cuantificada del fenómeno a
estudiar, en donde las unidades de dicha población poseen una característica
en común, la cual se estudia con el fin de dar origen a los datos de la
investigación (Fidias, A. Ob. cit. p. 81).
En esta investigación, la población está representada por nueve planchas
de acero ASTM A-36 de 120 mm de longitud por 86 mm de ancho,
depositándose un tipo de recubrimiento sobre tres planchas, cada una de esas
tres variará en el número de capas, desde una capa hasta tres.
3.4.2 Muestra
La muestra, según el enfoque cuantitativo se define como una fracción
representativa de la población, a fin de reflejar las características que la
definen (Fidias, A. Ob. cit. p. 83).
En esta investigación, se tomarán un total de 27 muestras, 3 por cada
recubrimiento y número de capas depositadas en las mismas. Las muestras
tendrán dimensiones de 65 mm de longitud por 25,4 mm de ancho.
25
3.5 Técnicas e Instrumentos para la Recolección de Información
Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos, para el desarrollo de este
trabajo se utilizarán técnicas de recolección de información como la revisión
documental, a fin de extraer la información contenida en libros, informes de
práctica profesional, trabajos de grado, fuentes electrónicas, publicaciones
técnicas, manuales industriales, entre otros, que sirvan de antecedentes y
complemento teórico al tema de investigación.
Otra técnica a utilizar será la observación directa, que se basa en visualizar
detalladamente los sucesos que van ocurriendo, analizando cada una de las
etapas y haciendo énfasis en los detalles importantes. Además, se hará uso
de entrevistas, que consisten en que el investigador realice una serie de
preguntas a una segunda persona o entrevistado, tocando temas inherentes a
la investigación planteada.
Entre los instrumentos requeridos para recolectar información se utilizarán
cámara fotográfica, video grabadora, computadora portátil, software de
procesamiento de palabras, entre otros.
3.6 Procedimiento y Análisis de Datos
El procedimiento consiste en el planteamiento de una serie de pasos
ordenados, los cuales se deben seguir para favorecer el cumplimiento preciso
del objetivo planteado para la investigación.
Para llevar a cabo el trabajo experimental se deberá seguir el procedimiento
que se describe a continuación:
26
a) Se realizará una revisión de fuentes en la red y bibliográficas que
contribuyan como antecedentes y sustenten la investigación.
b) Se determinará los tipos de recubrimientos a usar de acuerdo a la
disponibilidad existente en el mercado.
c) Se establecerán las variables de soldadura (amperaje, voltaje, velocidad
de avance) de acuerdo al tipo de recubrimiento a utilizar.
d) Se calificarán los procedimientos de soldadura a utilizar mediante el
código ASME, Sección IX.
e) Se ejecutarán los procedimientos de soldadura desarrollados para cada
uno de los recubrimientos sobre cupones de acero ASTM A36 con
espesor no superior a ½”.
f) Luego de realizadas las soldaduras se procederá al corte de las
probetas para ensayos de dureza, análisis metalográfico, observación
por lupa estereoscópica, desgaste con rueda de goma y sílice como
agente abrasivo.
g) Finalmente, se analizarán los resultados obtenidos en cada ensayo para
evaluar la resistencia al desgaste de los recubrimientos aplicados.
27
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
American Society for Testing Materials International (2002). ASTM G40-
02 Standard terminology relating to wear and erosion. Estados Unidos: ASTM.
American Welding Society (2001). AWS A3.0 Standard welding terms and
definitions. Estados Unidos: AWS. Fidias, A. (2006). El proyecto de investigación. Introducción a la metodología
científica. 5ta ed. Caracas: Episteme. Flores, C. (s.f.). Soldadura al arco eléctrico SMAW. Disponible:
http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_08_MEC01.pdf. [Consulta: 24, Marzo, 2014]
Gutiérrez, J.; León, L.; Mesa, D. y Toro, A. (2004). Evaluación de la
resistencia al desgaste abrasivo en recubrimientos duros para aplicaciones en la industria minera. Disponible: http://revistas.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/viewFile/7217/4249. [Consulta: 2014, Enero, 15].
Hernández, R., Fernández, C. y Baptista M. (2010). Metodología de la
investigación. 5ta ed. México: Mc Graw Hill. Jeffus, L. (2009). Soldadura. Principios y aplicaciones. 5ta ed. Madrid:
Paraninfo. Kenchi, K. y Jayadeva, C. (2012). The effects of welding processes on
microstructure and abrasive wear resistance for hardfacing deposits. Disponible: http://www.journal.bonfring.org/papers/iems/volume2/BIJ-002-1298.pdf. [Consulta: 2014, Febrero, 11].
Kou, S. (2003). Welding Metallurgy. 2da ed. Estados Unidos: John Wiley &
Sons, Inc. Marulanda, J. y Trujillo, G. (2007). Recuperación de piezas desgastadas con
recubrimientos protectores. Disponible: http://revistas.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/view/4061/2221. [Consulta: 2014, Enero, 15].
Nathan, G. y Jones, J. (1966). The empirical relationship between abrasive
wear and applied conditions. s.d. Citado en Caicedo, H.; Valdés, J. y Coronado, J. (2005). Caracterización de recubrimientos duros frente al
28
desgaste abrasivo a tres cuerpos. Disponible en: http://redalyc.org/articulo.oa?id=257021014001. [Consulta: 15, enero, 2014].
Noriega, A. (2013). Resistencia al desgaste abrasivo de recargues duros
fabricados con 5% de FeTi y contenido variable de FeV. Tesis de Grado en Ingeniería Mecánica. Lima: Pontificia Universidad Católica del Perú. Disponible en: http://www.tesis.pucp.edu.pe/repositorio/handle/123456789/4938. [Consulta: 15, enero, 2014].
Pérez, J. (2011). Influencia de la microestructura en el comportamiento a
desgaste abrasivo evaluado bajo norma ASTM G65 de depósitos de soldadura antidesgaste aplicados sobre sustratos de acero de baja aleación y bajo carbono. Tesis de Maestría en Ingeniería, Materiales y Procesos. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. Disponible en: http://www.bdigital.unal.edu.co/4312/1/291457.2011.pdf. [Consulta: 15, enero, 2014].
Rodríguez, M. (2013). Recuperación de piezas por soldadura. Apuntes
tomados en clase de Recuperación de piezas por soldadura, junio, Venezuela.
Vásquez, R. (2013). Práctica N°2: Desgaste por abrasión en materiales.
Disponible: http://www.slideshare.net/erikromero23/desgaste-porabrasionenmateriales#. [Consulta: 06, abril, 2014]
Zapata, A.; Marulanda, J. y Molina, J. (2007). Recuperación de un molino
vertical ATOX 32.5 para molienda de caliza por medio de soldadura. Disponible: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=84936110. [Consulta: 2014, Enero, 15].
29
ANEXOS
30
Anexo A. Cronograma de actividades
12
34
12
34
12
34
12
34
Aná
lisis
de
re
sulta
do
s
Ela
bo
ració
n d
e T
rab
ajo
Esp
ecia
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Gra
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Ju
lio
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visió
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nte
s e
n lí
ne
a
31
Anexo B. Recursos necesarios
Recurso Cantidad
Cámara fotográfica 1 equipo
Electrodos para recubrimientos duro (3 tipos) 2 kg por cada tipo de recubrimiento.
Planchas de acero ASTM A-36 (120 x 85 x 12,5 mm)
9 unidades
Máquina de soldar 1 equipo
Soldador 1 soldador
Cortadora de metal 1 equipo
Durómetro con identador 1 equipo
Máquina de ensayo de resistencia a la abrasión
1 equipo
Arena seca 1 saco
Balanza analítica 1 equipo
Lupa estereoscópica 1 equipo
Desbastadora manual 1 equipo
Pulidora 1 equipo
Microscopio óptico 1 equipo
Computadora 1 equipo
Impresora 1 equipo
Resmas de papel 2 unidades