MECANISMO DE DESGASTE DE MATERIALES METÁLICOS PARA MARTILLOS DE MOLINOS DEBIDO A LA ACCIÓN DE PARTÍCULAS EROSIVAS

MECANISMO DE DESGASTE DE MATERIALES METÁLICOS PARA MARTILLOS DE MOLINOS DEBIDO A LA ACCIÓN DE PARTÍCULAS EROSIVAS Roberto Sagaró Zamora, José Antonio Gómez Lujo, Lissette Espinosa Fernández, Hipólito Carvajal Fals, Calixto Rodríguez MartÍnez Universidad de Oriente

La selección de materiales en la industria de procesamiento de alimentos, donde el desgaste es uno de los fallos más frecuente, constituye un aspecto de interés actual. En el trabajo se evalúa el comportamiento tribológico del acero 65Mn4, con y sin tratamiento térmico, la aleación base níquel Hastelloy C y el recubrimiento superficial por soldadura con una aleación Ni-Cr-Mo. Los ensayos de desgaste fueron realizados por el método ASTM G65-81, y además, en un tribómetro de desgaste erosivo. Los ensayos de microdureza realizados en la sección transversal de la zona erosionada y las caracterizaciones microestructurales, después de las pruebas de desgaste, permitieron establecer los mecanismos básicos: deformación plástica de la zona de impacto, fragilización y finalmente el desprendimiento del material por un mecanismo de fractura frágil (Hastelloy C y recubrimiento base Ni-Cr-Mo), siendo éstos los materiales que exhiben el menor desgaste. Palabras clave: erosión por partículas sólidas, desgaste por impacto, deformación plástica, mecanismo de desgaste. _____________________

The development of a criterion for selecting materials and coating for processing food industry where wear is a common failure type seems to be very important. In this research was evaluated the wear behavior of 65Mn4 steel with and without heat treatment, Hastelloy C alloy and a weld overlay coating using Ni-Cr-Mo alloy. Wear characteristics were evaluated by ASTM G65-81 method and at the erosion wear tester. Microhardness tests were performed on the samples below the eroded surfaces in order to determine the size of the plastically deformed zone. Microhardness test and microstructural characterizations after erosion testing showed the basic mechanisms: plastic deformation, embrittlement and finally the material is detached by brittle fracture (Hastelloy C and Ni-Cr-Mo coating). These materials exhibit lhe lowest wear rate. Key words: solid particle erosion, impact wear, plastic deformation, wear mechanism.

Introducción El fenómeno de desgaste que ocurre en los martillos de molinos de granos de la industria alimenticia posee un gran impacto económicosocial. En los molinos de granos alimenticios (de muy baja dureza), los martillos impactan inicialmente contra el grano, y posteriormente se mueven dentro de la masa, siendo éste un caso de interés sui génesis. La erosión probablemente ocupa un papel preponderante en este proceso, provocado por las características físicas y químicas de los tipos de granos y el funcionamiento de los molinos. La erosión de los materiales ha sido atribuida a un gran número de mecanismos y sus combinaciones, que incluyen el corte, rasurado, extrusión, fragmen-

TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol. XXVII, No. 2, 2007

tación, fractura elástica, fractura elástico–plástica y hasta la fusión. Numerosos autores han desarrollado modelos analíticos, pero ninguno de ellos han resultado totalmente satisfactorios. Actualmente, los que se creen más acertados son los que consideran el desgaste erosivo para materiales dúctiles y frágiles, aunque investigaciones realizadas, por ejemplo, por Levin et al. /1/, han demostrado el comportamiento de materiales que imposibilitan considerarle en uno u otro grupo. Las curvas de dinámica de desgaste permiten establecer el período de incubación en el que transcurre el endurecimiento por deformación, y se acumula la suficiente energía para la fractura localizada, seguido de un periodo de desgaste acelerado donde ocurren las mayores pérdidas de material, y posteriormente el estado estacionario. /1/

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Todavía en la literatura consultada no queda clara la relación entre la dureza del material y la resistencia a la erosión, aspecto que merece especial atención por la comunidad científica. /2, 3/ Un aspecto importante en el que debe profundizarse es que, producto del proceso de erosión, surgen en la superficie de algunos materiales, zonas deformadas plásticamente, los cuales pueden disipar energía de impacto y contrarrestar el proceso de erosión. Por otro lado, cuando un material se comporta como frágil, pese a su gran dureza, presenta alta razón de desgaste, lo que soporta la opinión de los autores en cuanto a la no exclusiva preponderancia del factor dureza en estos casos. En otra importante investigación Zum- Gahr /4/, ha identificado la influencia de las propiedades del material en el desgaste abrasivo, tales como la dureza, el endurecimiento por deformación, la ductilidad, la anisotropía de los cristales y la inestabilidad mecánica, al considerar, por ejemplo, que la resistencia a la deformación elástica/plástica determina el área de contacto entre la partícula abrasiva y el material. En relación con el desgaste abrasivo G. E. Gatzanis /5/, en sus estudios sobre el empleo de diferentes aleaciones en equipos para la minería, ha investigado las propiedades de abrasión y corrosión del acero al cromo 9 %. Las mediciones de dureza en la superficie desgastada y en el resto del volumen del material no sobrepasaron una

Fig. 1 Máquina de ensayo de desgaste abrasivo (ASTM G65– 81). Fig. 1 ASTM G65-81 abrasion tester.

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diferencia de 2-5 %, reflejo de la reducida habilidad de endurecimiento por deformación del material ensayado. En opinión del autor, es importante establecer que durante el proceso de abrasión, la deformación del material y la fractura eventual ocurren en áreas muy localizadas bajo condiciones de altas presiones y altas razones de deformación. Se considera que el dilema estriba, precisamente, en que a los efectos positivos del incremento de la dureza y la resistencia se contrapone la disminución de la ductilidad y la micro y macrotenacidad asociada a ella. Por ejemplo, Barrer y Ball, /6/ han reportado que un incremento de un 30 % en la dureza provoca, sin embargo, un decrecimiento de un 10 % en la resistencia relativa a la abrasión de aceros de mediano contenido de carbono. En el trabajo se evalúa el comportamiento tribológico del acero 65Mn4, con y sin tratamiento térmico, la aleación base níquel Hastelloy C y el recargue superficial de una aleación Ni-Cr-Mo, con el objetivo de ser aplicado como material para la fabricación de martillos de molinos de granos.

Materiales y procedimiento experimental En el trabajo, se realizaron ensayos de desgaste abrasivo (figura 1) según la norma ASTM G65 – 81 (procedimiento A) y pruebas de desgaste erosivo en un tribómetro simulador de las condiciones de trabajo de los molinos de martillos (figura 2 ).

Fig. 2 Máquina experimental de desgaste erosivo. Fig. 2 Erosion tribometer.

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Cuatro materiales fueron previamente seleccionados para los ensayos: acero 65Mn4 (material usado en martillos de un molino industrial), Hastelloy C, material 65Mn4 recubierto por arco eléctrico manual con aleación Ni-Cr-Mo, y final-

mente el propio acero 65Mn4 con tratamiento térmico consistente en un temple a 830 0C y revenido a 400 0C (65Mn4 TT). En la tabla 1, se muestran las composiciones químicas de los materiales ensayados.

Tabla 1 Composición química de los materiales ensayados Table 1 Chemical composition (wt %) of the tested materials Composición química (%) Aceros

C

Si

Mn

Cr

Ni

W

Mo

Fe

S

Hastelloy C

0,01

0,03 0,5

15,5 57

Recubrimiento N i- Cr- Mo