Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 165-171

COMPORTAMIENTO DE LA MICROESTRUCTURA AUSTENÍTICA EN FRICCIÓN EN AIRE ANTE UNA MICROESTRUCTURA NO AUSTENÍTICA. Rigoberto Reinoza 1*, Mary Vergara 2

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Este artículo forma parte del “Volumen Suplemento” S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales (RLMM). Los suplementos de la RLMM son números especiales de la revista dedicados a publicar memorias de congresos.

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Este suplemento constituye las memorias del congreso “X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (X IBEROMET)” celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008.

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La selección y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET, quien nombró una comisión ad-hoc para este fin (véase editorial de este suplemento).

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La RLMM no sometió estos artículos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los números regulares de la misma.

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Se recomendó el uso de las “Instrucciones para Autores” establecidas por la RLMM para la elaboración de los artículos. No obstante, la revisión principal del formato de los artículos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET.

0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)

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Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 165-171

COMPORTAMIENTO DE LA MICROESTRUCTURA AUSTENÍTICA EN FRICCIÓN EN AIRE ANTE UNA MICROESTRUCTURA NO AUSTENÍTICA. Rigoberto Reinoza 1*, Mary Vergara 2 1: Escuela de Ingeniería Mecánica, Departamento de Tecnología y Diseño, GRUTEC, Universidad de Los Andes Mérida, Venezuela 2: Escuela de Ingeniería Mecánica, Departamento de Tecnología y Diseño, DIMMA, Universidad de Los Andes. Mérida, Venezuela

* E-mail: [email protected] Trabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMET Cartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008 Selección de trabajos a cargo de los organizadores del evento Publicado On-Line el 20-Jul-2009 Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html

Resumen Se estudia el comportamiento de la microestructura austenítica, acero inoxidable AISI 304, en fricción en aire con una microestructura martensita-bainita, acero AISI 4340, y una microestructura ferrita-perlita, acero al carbono AISI 1045. Los ensayos de fricción en aire (disco-placa) se realizaron a una carga de 20 N y a una velocidad de rotación 200 rpm. Las muestras fueron sometidas a fricción en aire durante 10 períodos de tiempo (30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 minutos). El desgaste fue medido mediante la pérdida de volumen en cada una de las muestras o por la intensidad de desgaste. Además la superficie desgaste se evaluó mediante microscopía electrónica de barrido. Los resultados de los ensayos de desgaste indican que la microestructura austenítica muestra un mejor comportamiento cuando está en contacto con la microestructura martensítica-bainítica. Además, la abrasión es el mecanismo de desgaste predominante en la austenita en contacto con ambas microestructuras. Palabras Claves: Fricción, austenita, desgaste abrasivo, acero inoxidable. Abstract The behavior of the austenitic microstructure, stainless steel AISI 304, in air friction with a microstructure martensitabainite, steel AISI 4340, and one microstructure ferrite-pearlite carbon steel AISI 1045, has been studied. The tests of friction in air (ring-plate) were made under a 20 N force and at a rotational speed of 200 rpm. Samples were tested under air friction during 10 periods of time (30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 minutes). The wear was measured by means of the loss of volume in each one of the samples or by wear intensity. In addition , the wear surface was evaluated by means of scanning electron microscope. Friction test results indicate that the austenitic microstructure shows a better behavior when is in contact with the martensita-bainite microstructure. Also, abrasion is the wear mechanism predominant in austenite in contact with both microstructures. Keywords: Friction, austenitic, abrasive wear, stainless steel.

1. INTRODUCCION En el presente trabajo se realiza un estudio del comportamiento en desgaste deslizante, en aire, de la microestructura austenítica (anillo), acero inoxidable AISI 304, en contacto con una microestructura martensita-bainita (placa), acero AISI 4340, y una microestructura ferrita-perlita (placa) acero al carbono AISI 1045. El desgaste es el daño o remoción de material de una o de ambas superficies sólidas en contacto con un movimiento relativo de una con respecto a la otra. En muchos casos, el desgaste ocurre a través de la interacción 0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)

superficial de las asperezas. Durante el movimiento relativo, al principio, el material de la superficie de contacto puede ser desplazado de tal manera que las propiedades del cuerpo cerca de la superficie son alteradas, pero poco o ningún material de hecho es removido. Posteriormente, el material puede ser removido de una de las superficies y puede ocurrir la transferencia de éste a la otra superficie o romperse y desprenderse como partículas de desgaste. En el caso de la transferencia de material de una superficie a otra, la perdida neta de volumen o masa de material es cero, aunque una de las 165

Reinoza et al.

superficies haya sido desgastada (con una pérdida de masa o volumen neto). La definición de desgaste se basa en general en la pérdida de material, pero se debe recalcar que el daño debido al desplazamiento de material en un cuerpo (observado en el microscopio) sin cambio en peso o volumen, también constituye desgaste, Bhushan [1]. El desgaste ocurre mediante medios mecánicos y/o químicos y por lo general acelerado por el calor de fricción. El desgaste incluye seis fenómenos completamente diferentes que sólo tienen una cosa en común: la remoción de material sólido de las superficies en fricción (Zum Gahr [2], Rabinowicz [3] y Bhusha [1]). Estos fenómenos son; adhesión, abrasión, fatiga, impacto por erosión y percusión, químico (corrosión) y desgaste inducido por arco eléctrico. Estos no son mecanismos distintos, pero un poco la combinación de las formas de desgaste por adhesión, abrasión y corrosión. El desgaste por todos los mecanismos, excepto por el mecanismo de fatiga, ocurre por la remoción gradual del material. De los mecanismos de desgaste anteriormente mencionados, uno o más pueden operar en una máquina en particular. En muchos casos, el desgaste se inicia por un mecanismo y puede continuar por otro mecanismo, complicando de tal modo el análisis de la falla. Rabinowicz [3], ha argumentado que la fuerte tendencia a la adhesión en metales en contacto deslizante está determinada por sus compatibilidades metalúrgicas, el cual es el grado de solubilidad sólida cuando dos metales son fundidos juntos. Aumentando el grado de incompatibilidad se reduce el desgaste, tendiéndose a un mayor valor del coeficiente de desgaste, lo cual es también cierto para el coeficiente de fricción. El desgaste adhesivo ocurre cuando dos sólidos en contacto deslizan con o sin lubricación. La adhesión ocurre en las asperezas en contacto en la entrecara y estos contactos son sometidos a corte por el deslizamiento, de lo cual puede resultar un desprendimiento de fragmentos de material de una de las superficies y adhesión a la otra superficie. Al continuar el deslizamiento, los fragmentos transferidos pueden desprenderse de la superficie a la cual fueron transferidos y regresar a la superficie original de donde fueron transferidos o formar partículas de desgaste que se desprenden. Algunos fragmentos son fracturados por el proceso de fatiga dando como resultado pérdida de partículas. Varios mecanismos han sido propuestos para explicar el desprendimiento de un fragmento de material. En 166

las primeras teorías de desgaste por deslizamiento (aún reconocidas) se sugirió que el efecto de corte puede ocurrir en la superficie de separación original o en alguna región de debilidad en uno de los cuerpos, Archard [4]. En muchos casos, se espera que la resistencia de adhesión en la entrecara sea inferior en comparación a la resistencia de las zonas adyacentes; así en muchos de los contactos la ruptura por corte ocurre en la superficie de separación y no ocurre desgaste en el ciclo de deslizamiento. En una pequeña fracción de contactos, la fractura puede ocurrir en uno de los cuerpos y un fragmento pequeño puede adherirse a la otra superficie, la transferencia de estos fragmentos es irregular y sucede en bloques. Kayaba et al. [5] propusieron un mecanismo en el cual el efecto de corte plástico de capas sucesivas de una aspereza en contacto da como resultado un desprendimiento de partículas de desgaste. A causa de la adhesión la partícula desprendida de una superficie es trasferida a la otra superficie de apareamiento. Deslizamiento subsiguiente, genera la formación de partículas de desgaste por uno de los dos mecanismos. Este remanente se adhiere a una superficie, se transfiere a la superficie apareada o se transfiere a otro fragmento previamente adherido; en este caso un gran aglomerado es desprendido como una gran partícula de desgaste. En combinaciones de materiales distintos, se forman partículas de desgaste de ambos materiales, mayor cantidad del material mas blando y por lo general son más grandes que las del material mas duro de contraparte. A causa de los defectos y las grietas internas del material más duro y en el cual existen regiones localizadas de baja resistencia. Si en un contacto fuerte, las regiones localizadas de baja resistencia del material mas duro coinciden con regiones localizadas de alta resistencia del material mas blando, las partículas de desgaste del material mas duro se forman. La formación de fragmentos de material mas duro puede también ser generada por el desprendimiento del material trasferido por adhesión a la superficie del material mas duro por un proceso de fatiga como resultado del número de ciclos de carga y descarga. La transferencia de material ha sido estudiada por varios investigadores. Al inicio de 1950, una técnica radiográfica fue usada. Uno de los materiales deslizantes fue hecho radioactivo y la transferencia del material radiactivo a la superficie apareada durante el deslizamiento fue demostrada colocando la película fotográfica en contacto con la superficie de apareamiento después Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 165-171

Comportamiento de la microestructura austenítica en fricción en aire

2. ANALISIS DE RESULTADOS Los resultados de los ensayos de fricción realizados en aire para el contacto deslizante entre la microestructura austenítica (anillo) y la microestructura martensítica-bainítica (placa) son mostrados en la Figuras 1 y 2. Además, Los resultados de los ensayos de fricción en aire para el contacto de la microestructura austenítica (anillo) y la microestructura perlítica-ferrítica (placa) son mostrados en las figuras 3 y 4.

0.12

Austenita

3

1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Los materiales empleados en el presente trabajo fueron acero inoxidable AISI 304 de microestructura austenítica, acero AISI 4340 con una microestructura martensítica-bainítica y acero AISI 1045 con una microestructura ferríticaperlítica. El acero de microestructura austenítica fue calentado hasta 1050 8C, con permanencia de una hora en el horno y enfriado en aire. El material de microestructura perlítica-ferrítica fue recocido a 850 8C. El acero AISI 4340 no fue sometido a tratamiento térmico alguno. La dureza Vickers de cada uno de ellos fue de 180, 315 y 189 respectivamente. Para el ensayo de fricción en aire anillo-placa, los anillos se fabricaron del acero inoxidable AISI 304 y las placas de los aceros AISI 4340 y AISI 1045. Los ensayos de fricción en aire (disco-placa), se realizaron a una carga de 20 N y a una velocidad de 200 rpm y las muestras rectificadas a una rugosidad inicial de Ra = 0.45 μm. Un grupo de cinco pares de muestras por cada período de tiempo fueron sometidas a fricción durante 10 períodos de tiempo (30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 minutos). El desgate fue medido mediante la pérdida de volumen en cada una de las muestras o por la intensidad de desgaste. Para determinar la pérdida de volumen, inicialmente se determinó la pérdida de peso mediante la medición del peso inicial y el peso final de cada una de las muestras mediante una balanza electrónica de capacidad de 220 gr y una apreciación de 0.0001 gr. Además se evaluó la superficie desgaste mediante microscopía electrónica de barrido a una magnificación de 5k.

de manera lineal. A medida que aumenta el tiempo de contacto se incrementa la pérdida de fragmentos de desgaste en cada una de las superficies en contacto. Como se observa en esta Figura, la pérdida de material en la microestructura austenítica es mayor que en la microestructura martensíticabainítica. Este comportamiento es natural en cada una de estas microestructuras, ya que la dureza del material tiene una gran influencia en el desgaste, en materiales duros menor desgaste, aunque la microestructura austenítica tiene la tendencia a sufrir endurecimiento por deformación y mejorar su comportamiento ante el desgate por fricción, Reinoza y Guillén [7]. Por otra parte, para los valores promedios, como se muestra en la Figura 2, la intensidad de desgaste (volumen/tiempo) en la microestructura austenítica es mayor para cada uno de los tiempos de contacto, observándose una alta intensidad de desgaste en los primeros 30 minutos de contacto en relación a la microestructura martensítica-bainítica, posteriormente se observa una disminución y tiende a mantenerse constante. Aunque la microestructura martensítica-bainítica muestra un comportamiento similar, se puede observar un incremento a los sesenta minutos de contacto.

Pérdida de volumen (cm )

de la fricción, Bhushan et al. [6].

Martensita-bainita

0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0

60 120 180 240 Tiempo de contacto (mín)

300

Figura 1. Pérdida de volumen en las microestructura austenítica y martensítica-bainítica para los diferentes tiempos de contacto.

La Figura 1 muestra el comportamiento del desgaste tanto en la microestructura austenítica (anillo) como en la microestructura martensítica-bainítica (placa), este comportamiento es para ambas microestructuras Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 165-171

167

1.E-05

0.3

8.E-06 6.E-06 4.E-06

Promedio Martensita-bainita

2.E-06 0.E+00 0

2

4

6

8

10

Ensayo

Figura 2. Intensidad de desgaste para la microestructura austenítica y la martensítica-bainítica para los diferentes tiempos de fricción.

La Figura 3 muestra el comportamiento del desgaste tanto en la microestructura austenítica (anillo) como en la microestructura ferrítica-perlítica (placa), este comportamiento es para ambas microestructuras de manera lineal. En ambas microestructuras, a medida que aumenta el tiempo de contacto se incrementa la pérdida de fragmentos de desgaste en cada una de las superficies en contacto. Como se observa en esta Figura, aunque la dureza (186 HV) del material de microestructura ferrítica-perlítica es ligeramente mayor que el de microestructura austenítica (180 HV) la pérdida de material en la microestructura austenítica es menor que en la microestructura ferrítica-perlítica. El mayor desgaste que se observa en la microestructura ferrítica-perlítica se debe posiblemente a que la ferrita posee una baja dureza y baja resistencia al desgaste por fricción (Reinoza [8]), menor que la de la perlita y la austenita, la mayoría de la pérdida de fragmentos de desgastes estarían constituidos fundamentalmente por la ferrita, además podría estar ocurriendo que la presencia de la cementita, elemento de alta dureza, en la perlita estuviese generando desgaste por propagación de microgrietas por fatiga. Por otra parte, el menor desgaste mostrado por la microestructura austenítica se debe posiblemente a su propiedad de endurecerse por deformación y aumentar la resistencia al desgaste por fricción, Reinoza [9].

168

Austenita

3

Pérdida de volumem (cm)

Promedio Austenita

3

Intensidad de desgaste (cm /sg)

Reinoza et al.

Ferrita-perlita

0.2

0.1

0.0 0

60

120

180

240

300

Tiempo de contacto (min)

Figura 3. Pérdida de volumen en las microestructura austenítica y ferrítica-perlítica para los diferentes tiempos de contacto.

La Figura 4 muestra el comportamiento de la intensidad de desgaste en cada una de las microestructuras en contacto. Se puede observar en esta figura que en los valores promedios, la intensidad de desgaste de la microestructura ferrítica-perlítica es alta al inicio del contacto y se mantiene relativamente constante hasta los 210 minutos de contacto y luego sufre un incremento a los 240 minutos y posteriormente disminuye a los tiempos de 270 y 300 minutos. Por el contrario, la intensidad de desgaste en la austenita es relativamente baja y se mantiene aproximadamente constante a lo largo de todos los períodos de contacto. La alta intensidad de desgaste en la ferritaaustenita, posiblemente ocurra debido a la baja resistencia al desgaste de la ferrita y el posible mecanismo de desgaste de propagación de microgrietas causada por los ciclos de carga y descarga, Reinoza [8].

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Comportamiento de la microestructura austenítica en fricción en aire

entrecara entre las microestructuras blandas y al continuar el contacto se produce la remoción de partículas de una de las superficies y desprenderse como partículas de desgaste, generando desgaste por abrasión mediante la formación de microsurcos y agrietamiento, tal como se muestra en la Figura 6a.

3

Intensidad de desgaste (cm /sg)

1.8E-05 1.5E-05 Ferrita-perlita Promedio

1.2E-05 9.0E-06 6.0E-06

Austenita Promedio

3.0E-06 0.0E+00 0

2

4 6 Ensayo

8

10

(a)

(b)

Figura 6. Superficies de desgaste de la microestructura austenítica en contacto con (a) la microestructura ferritaperlita y (b) la microestructura martensita-bainita, para un tiempo de 30 minutos. 5000X

1.E-05

3

Intensidad de desgaste (cm /sg)

Figura 4. Intensidad de desgaste para la microestructura austenítica y la ferrítica-perlítica para los diferentes tiempos de fricción.

5.E-06

Autenita/Ferrita-perlita Austenita/Martensita-

0.E+00 0

2

4

6

8

10

Ensayo

Figura 5. Intensidad de desgaste de la microestructura austenítica en contacto con las microestructuras martensita-bainita y ferrita-perlita.

En la Figura 5 se puede observar que la microestructura austenítica en contacto con la microestructura ferrítica-perlítica sufre un desgaste ligeramente mayor en la etapa de asentamiento del proceso de desgaste que cuando está en contacto con la microestructura martensítica-bainítica. En los tiempos subsiguientes se mantiene superior, con tendencia a incrementarse, este comportamiento, aunque están en contacto materiales de dureza semejante (180 VH y 186 VH respectivamente), se puede deber a que en la etapa inicial (30 minutos de contacto), el material de microestructura ferritaperlita presenta una fase blanda y otra dura (cementita) que forma parte de la perlita, se puede estar produciéndose una gran adhesión en la Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 165-171

Al tiempo de 30 minutos, un proceso semejante puede estar ocurriendo en el contacto deslizante de la microestructura austenítica con la martensíticabainítica, pero el deterioro de la superficie de contacto es menor, Figura 6b, ya que posiblemente el desprendimiento de las partículas sea fundamentalmente de la microestructura austenítica y no de ambas microestructuras como puede estar ocurriendo en el contacto deslizante de la austenita y la martensita-bainita. En la Figura 7a y en la Figura 8a, se puede observar que el proceso de desgaste en la austenita, al aumentar el tiempo de contacto deslizante con la ferrita-perlita, ha ocurrido fundamentalmente por abrasión mediante la formación de microsurcos y desprendimiento de partículas de material de los bordes de los microsurcos por la acción de las cargas repetidas. La Figura 8 muestra que el proceso de desgaste en la microestructura ferrita-perlita, de manera general, se produce por la formación de microsurcos originada por las partículas de desgaste desprendidas de las entrecaras y presencia de microgrietas causadas por el proceso de fatiga.

169

Reinoza et al.

(a)

(b)

Figura 7. Superficies de desgaste de la microestructura austenítica en contacto con (a) la microestructura ferritaperlita y (b) la microestructura martensita-bainita, para un tiempo de 150 minutos. 5000X

En la superficie de desgaste mostrada en las Figura 7b se puede observar que el mecanismo de desgaste predominante es la formación de microsurcos a causa de las partículas desprendidas del material mas blando, austenita, o debido al efecto de desprendimiento por corte de partículas de desgaste de la entrecara martensita-bainita, Figura 10. Además, en la Figura 7b se puede observar la presencia de una zona de formación plástica. En la Figura 8b, se puede observar la presencia de microgrietas y material deformado plásticamente, lo que puede indicar que el mecanismo de desgaste predominante al tiempo de contacto de 300 minutos fue posiblemente el desgaste causado por la fatiga.

(a)

(a)

(b)

Figura 8. Superficies desgaste de la microestructura austenítica en contacto con (a) la microestructura ferritaperlita y (b) la microestructura martensita-bainita, para un tiempo de 300 minutos. 5000X

(b)

Figura 10. Superficies de desgaste de la microestructura martensita-bainita para un tiempo de (a) 150 min. y (b) 300 min. 5000X

3.

CONCLUSIONES

La microestructura martensítica-bainítica muestra un mejor comportamiento al desgaste por contacto deslizante que la microestructura ferrítica-perlítica ante la microestructura austenítica. El mecanismo de desgaste en la microestructura ferrítica-perlítica es predominantemente abrasivo con la formación de microsurcos, aunque se observan la presencia de microgrietas de fatiga, en cambio, en la microestructura martensítica-bainítica el mecanismo es desgaste es fundamentalmente ocasionado por la pérdida de partículas de desgaste debido al efecto de la fatiga.

(a)

(b)

Figura 9. Superficies de desgaste de la microestructura ferrita-perlita para un tiempo de (a) 150 min. y (b) 300 min. 5000X

170

La microestructura austenítica muestra un mejor comportamiento la desgaste cuando el contacto deslizante ocurre ante una microestructura mas dura como la martensítica-bainítica, posiblemente a que se este generando endurecimiento por deformación de la austenita. Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 165-171

Comportamiento de la microestructura austenítica en fricción en aire

El mecanismo de desgaste presente en la microestructura austenítica en contacto deslizante con ambas microestructuras es fundamentalmente el de abrasión con la formación de microsurcos, aunque en ambos casos hay presencia del mecanismo de fatiga. El mecanismo de abrasión es mas severo en la entrecara austenita ferrita-perlita debido, posiblemente, a que hay pérdida de partículas de desgastes en ambas superficies de desgaste. 4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Bhushan B, Introduction to Tribology, New York (USA): John Wiley & Sons, Inc., 2002, Cap. 5. [2] Zum Gahr KH., Microestructure and Wear of Naterials, Amsterdam: Tribology Series 10, Elseviere, 1987, Cap. 2. [3] Rabinowicz E, Friction and Wear of Materials, New York (USA): John Wiley & Sons, Inc. 1995, Cap. 4. [4] Archard JF, “Wear Theory and Mechanisms”, En: Peterson MB, Winer WO. (eds), In Wear

Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 165-171

Control Handbook, New York (USA): ASME, 1980, pp. 35-80. [5] Kayaba T, Kato K, Wacks ME. ASLE Trans. 1981; 24, 164-174. [6] Bhushan B, Nelson GW, Wacks ME. ASME J. Trib. 1986; 108, 241-155.. [7] Reinoza R, Guillén A, Rev. Tec. Ing. Univ. Zulia, 2006; 29, (2), 93-99. [8] Reinoza R, Comportamiento de los Aceros Inoxidables ante solicitudes Mecánico Corrosivas, Tesis Doctor en Ciencias Técnicas, La Habana (Cuba), Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, 2000. [9] Reinoza R, Información Tecnológica, 2001; 12, (1), 85-89.

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