5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Trabajo: TI/UI-22/101

INFLUENCIA DEL COEFICIENTE DE DILUCIÓN SOBRE LA DUREZA DE LA CAPA APORTADA EN EL RELLENO SUPERFICIAL M. en C. Alejandro López Ibarra*, Esau Alonso Herrera*, Ing. Edgar Castañeda Gómez*, Enrique Alejandro López Baltazar**, *Especialidad en Procesos Metalúrgicos de Manufactura **Programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad Autónoma de Zacatecas, Ave. López Velarde No. 801, C.P. 98060, Zacatecas, Zac., México. Teléfono: 92-2-08-27, Fax: 92-2-05-47, [email protected], [email protected] RESUMEN En este trabajo se realiza un estudio sobre la influencia del coeficiente de dilución sobre la dureza de la capa depositada en el relleno superficial. El coeficiente de dilución es obtenido a partir de la intensidad de corriente de soldadura y la temperatura en la superficie de la pieza. Se trabaja con tres tipos de electrodos de diferentes valores de rendimiento, los cuales son utilizados en procedimientos de relleno superficial de piezas. Finalmente es realizado el procesamiento estadístico de los resultados apoyados en técnicas computacionales para obtener expresiones y gráficas para seleccionar la corriente y la temperatura de la superficie de la pieza en función del coeficiente de dilución y dureza deseada. ABSTRACT In the present work, it has been realized a study about the influence of dilution rate on the hardness of the layer deposited in the hardfacing. The dilution rate is obtained with the welding current and the surface temperature. We worked with three types of electrodes, those are utilized in the hardfacing procedures. The statical analysis of the results was made using professional software to obtain equations and graphics to determine the hardness as function of the dilution rate.

I. Introducción. El desgaste es uno de los tres problemas que enfrenta en la actualidad la industria, en cuanto al reemplazo o recuperación de piezas se refiere. Los otros dos son la fatiga y la corrosión[1]. El desgaste ha sido clasificado según el movimiento relativo que lo produce (por deslizamiento, por rodadura, por impacto, por flujo, por cavitación, por erosión y por vibración), así como también según el mecanismo (adhesivo, abrasivo, corrosivo y por fatiga superficial) [2]. Para tratar las superficies expuestas al desgaste se ha establecido una clasificación para el tratamiento superficial de los elementos mecánicos, siendo de tres tipos: Tipo 1 (adición de

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Trabajo: TI/UI-22/101

material en la superficie), Tipo 2 (cambio de la composición química en la superficie), y Tipo 3 (cambio microstructural en la superficie). Dentro del tratamiento superficial del Tipo 1, se encuentra la soldadura, en donde un criterio importante a considerar en cuanto al relleno superficial se trata, es el coeficiente de dilución. La dilución en soldadura es el cambio en la composición química del metal de aporte causado por la mezcla que ocurre con el metal base o bien con los cordones de soldadura previamente depositados. Y el coeficiente de dilución expresa el grado de mezcla del metal empleado como aporte con la pieza a rellenar (figura 1). Según su valor, la composición del cordón puede variar significativamente y a la vez modificar las características de resistencia al desgaste del depósito.

Figura 1.- Coeficiente de Dilución (AMB-sección del metal base, AMA-área del metal de aporte) El coeficiente de dilución obtenido en las operaciones de recubrimiento superficial constituye uno de los factores determinantes en la composición química y dureza de la capa aportada y a la vez en las propiedades tribológicas de los depósitos. Frecuentemente se presentan en la literatura [3] valores del coeficiente de dilución para los diferentes procesos de soldadura, los cuales ofrecen información general sobre el grado de participación del material de aporte y su influencia en las propiedades finales de la capa aportada. Cuando se deposita con electrodos de alta aleación sobre superficies no aleadas, para ofrecer una capa protectora contra determinados medios que resultan agresivos, resulta importante conocer cuál es el verdadero valor del coeficiente de dilución para decidir el número de capas en función de la dureza y composición química deseada de acuerdo a recomendaciones dirigidas al relleno superficial [4]. Está demostrado que el avance de soldadura y la intensidad de corriente afectan notablemente la dilución existiendo referencias en la literatura [3, 5, 6] de expresiones que permiten calcular dichos valores. A partir de ecuaciones desarrolladas [7] en función del coeficiente de dilución se puede determinar bajo ciertos criterios la dureza y la composición química de la capa aportada. Y obtener por lo tanto información sobre la resistencia al desgaste del metal depositado ante determinados mecanismos de desgaste. En el presente trabajo se estudia cómo influye el coeficiente de dilución sobre la dureza de la capa aportada en el relleno superficial. El coeficiente de dilución es obtenido a partir de la intensidad de corriente de soldadura y la temperatura en la superficie de la pieza utilizando

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Trabajo: TI/UI-22/101

tres electrodos con distintos grados de rendimiento. Se obtienen expresiones y gráficos que relacionan la temperatura en la superficie y la intensidad de corriente con el coeficiente de dilución y a partir de los valores del coeficiente de dilución se analiza su influencia sobre la dureza de la capa aportada. Las expresiones, los gráficos, y la influencia del coeficiente de dilución sobre la dureza, constituyen una aplicación inmediata para solucionar problemas concretos en la industria. II. Materiales y Métodos Los electrodos empleados para la realización de la investigación se seleccionaron teniendo en consideración su aplicación en el recubrimiento superficial [12] y con diámetros similares (4 mm). A continuación se presentan la denominación para cada una de los electrodos: • • •

Conomang (INFRA) Durmatic H-10 (INFRA) Hard Alloy 61 (INFRA)

Los depósitos correspondientes al trabajo experimental se realizaron sobre placas de acero AISI 1020 de dimensiones (20x150x150 mm). Se utiliza una fuente Miller MI-250-CA/CD y un dispositivo adaptado a una máquina herramienta para controlar el avance de la soldadura (6-7 m/h). El punto de partida de la investigación ha sido la determinación del rendimiento de cada uno de los electrodos evaluados, utilizando como referencia la norma ISO 2401/72[8]. (figura 1) De acuerdo al procedimiento de trabajo de la norma mencionada se obtienen los resultados mostrados en las tabla 1. Para evaluar la influencia de la intensidad de corriente y la temperatura en la superficie de la chapa sobre el coeficiente de Dilución se utiliza un diseño del tipo factorial, con dos factores a dos niveles (22 ) lo cual trae como consecuencia la realización de cuatro corridas experimentales [10,11]. Los niveles de dichos factores y su identificación se muestran en las tabla 2, 3 y 4. El coeficiente de dilución se ha determinado según la ecuación 1

D=

Amb Ama+ Amb

Donde: D - Dilución. Amb - Área del metal base Ama - Área del metal de Aporte

(1)

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Trabajo: TI/UI-22/101

Para cada electrodo se depositaron 3 cordones de soldadura (cinco réplicas), de ellos se obtienen probetas de su sección transversal utilizando el corte con disco abrasivo. Para atacar la zona del cordón se utilizó el reactivo Nital al 3% lo que permite una adecuada definición de la zona fundida para determinar las áreas necesarias para el cálculo (figura 2).

Figura 2.- Sección transversal de los cordones de soldadura (nital al 3%, 5X)

Figura 3.- Determinación de los valores de Amb y Ama, mediante el programa Mechanical Desktop 3.0

El procesamiento estadístico de los resultados se realiza con la ayuda del paquete profesional STATGRAPHICS Plus Versión 7.0 [9]. La medición de la dureza se realizó en cada uno de los depósitos, (tanto en el Ama como en el Amb), se obtienen luego los promedios que se muestran en la tabla 3. III. Resultados Según el procesamiento estadístico de los resultados se han obtenido las siguientes ecuaciones: Conomang (η=82.11%)

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

YD = -0.000018IsTs + 0.003628Ts + 0.004549Is – 0.55773 R2 (AJUSTADO)= 0.99937

Trabajo: TI/UI-22/101

(2)

Durmatic H-10 (η=166.82 %) YD= 2.270652x10-6 IsTs – 0.000038Ts – 0.000267Is + 0.128482 R2 (AJUSTADO)= 0.99998

(3)

Hard Alloy 61 (η=98.62 %) YD= 0.000028IsTs – 0.0043Ts – 0.007065Is + 1.444924 R2 (AJUSTADO)= 0.9988

(4)

Es pertinente señalar que para realizar este análisis se trabajó con un 95% de probabilidad de ocurrencia del suceso y como resultado del número de replicas que se realizan (4) los grados de libertad del error se elevan 16 lo cual permite un análisis de variabilidad muy confiable [9, 10, 11]. Si se observan los resultados se puede apreciar que los valores del R2 son altos y si se tiene en cuenta que el nivel de error es menor que el 5% se puede demostrar que existe dependencia lineal entre las variables de corriente de soldadura (IS), temperatura superficial (TS) de la placa y la respuesta, en este caso el Coeficiente de Dilución (YD). Se ha encontrado que tanto la intensidad de corriente como la temperatura de la placa favorecen el aumento del coeficiente de dilución, aunque en el caso de la intensidad su influencia es mayor que la de la temperatura lo cual se puede apreciar al comparar los valores de sus coeficientes en los tres casos analizados. Por otro lado se observa que la influencia de la intensidad sobre la dilución de acuerdo al rendimiento del electrodo se comporta de forma descendente a medida que aumenta el valor del rendimiento. Por ejemplo para el electrodo Durmatic H-10 (η=166.82%) el valor del coeficiente para la corriente de 170 Amperes y temperatura de 175 0 C es de 0.13, mientras que para el electrodo Hard Alloy 61 (η= 98.62 %) es de 0.33. En las gráficas 1, 2 y 3 se presenta el comportamiento del coeficiente de dilución según los valores de corriente y temperatura de la placa utilizados en este trabajo. Según se aprecia para un mismo valor de intensidad de corriente y temperatura existen valores distintos en el coeficiente de dilución para cada electrodo, por ejemplo para Is = 170 Amperes y Ts = 175 el coeficiente de dilución se comporta de la siguiente manera: Tipo de electrodo Conomang Durmatic H-10 Hard Alloy

Coeficiente de dilución 0.32 0.13 0.33

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Trabajo: TI/UI-22/101

Esta diferencia se puede atribuir a las variaciones en el modo de transferencia del metal en uno y otro electrodo, así como también por los elementos presentes en el revestimiento, teniendo un efecto sobre el baño fundido, lo cual puede provocar un incremento en la penetración y a la vez en el área del metal base (Amb). Se ha encontrado que la temperatura en la superficie de la placa es un factor importante en la penetración, efecto que en la práctica se tiene que evaluar con mucho cuidado y aun más cuando se trata de trabajos de recubrimiento superficial donde este valor debe ser lo menor posible. En cuanto a la influencia del coeficiente de dilución sobre la dureza se puede observar en la tabla 3, que conforme el coeficiente de dilución se incrementa, el valor de la dureza de Ama y de Amb tiende a disminuir, esto puede ser atribuido a que se presenta un mayor grado de dilución entre el metal de aporte y el metal base, modificándose la composición química del metal de aporte. Por otra parte se puede observar que conforme se incrementa la temperatura la dureza de Ama tiende a incrementarse, mientras que la dureza de Amb tiende a disminuir. Lo anterior puede atribuirse a la diferencia en la rapidez de enfriamiento. Conclusiones 1. Existen diferencias en el comportamiento del coeficiente de dilución para electrodos con distintos valores de rendimiento, independientemente del régimen utilizado para la realización del recubrimiento superficial. 2.

El electrodo Durmatic H-10 presentó el mayor rendimiento con un valor de 166.82%

3. Las gráficas 1, 2, y 3 del presente trabajo pueden ser empleadas en trabajos prácticos para tener una referencia del comportamiento del coeficiente de dilución atendiendo al rendimiento que presente el electrodo empleado. 4. Cuando se emplea precalentamiento durante el relleno superficial deben emplearse los valores mínimos de corriente admisibles por el electrodo, sobre todo para electrodos de alto rendimiento, pues el coeficiente de dilución puede incrementarse significativamente. 5. Conforme se incrementa el coeficiente de dilución, los valores de dureza de la capa aportada de soldadura en el relleno superficial tiende a ser menor. Bibliografía 1. T. S. Eyre, Wear Characteristics of Metals, Source Book On Wear Control Technology, ASM. 2. Rodríguez Pérez M., López Ibarra A., Notas del Curso de Recuperación de Piezas Críticas en la Industria. UCLV-UAZ. 3. Reina Gómez Manuel: Soldadura de los Aceros. Aplicaciones. 1988. Segunda Edición, Madrid. España. 4. Cary, H.B. Modern Welding Technology. New Jersey. AWS. 1994. 5. Stepanov V.V Spravoshrik Svarchika. Editorial Mir. Moscú. 1990. 300pp.

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Trabajo: TI/UI-22/101

6. A. Kyllob, A: Tecnología y Equipamiento de Soldadura por Fusión. Moscú. 1987. 7. Bernad, H: Recargue Duro; Preparación y Dilución. Welding Engineer. Vol. 56 #5. 1991. 8. Norma ISO 2401/72 (para la determinación de los índices de consumo de electrodos revestidos). 9. STATGRAPHICS Plus Version 7.0. Manual del Usuario. 1998. 10. Douglas C. Montgomery, Diseño y Análisis de Experimentos, Editorial: Grupo Editorial Iberoamérica, 1991. 11. Ing. José F. Guzmán Carmenate, Diseño de Experimentos para Ingenieros Mecánicos, ediciones ISPJAM, Cuba 12. Manual de electrodos INFRA

Tablas Tabla 1.- Resultados obtenidos para el rendimiento de cada uno de los electrodos evaluados. Rendimiento Electrodo (η) Conomang 82.11 % Duramatic H-10 166.82 % Hard Alloy 61 98.62 %

Electrodo Conomang

Durmatic H-10

Hard Alloy

Tabla 2.- Factores empleados en el diseño factorial 22 para evaluar el comportamiento del coeficiente de dilución. Variable Factor Nivel Mínimo Nivel Máximo Intensidad de Soldadura X1 160 amp 180 amp (Is) Temperatura en la X2 20 0 C 250 0 C Superficie (Ts) Intensidad de Soldadura X1 140 amp 180 amp (Is) Temperatura en la X2 20 0 C 250 0 C Superficie (Ts) Intensidad de Soldadura X1 160 amp 180 amp (Is)

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

61

X2

25 al 29 de Junio del 2001

Temperatura en la Superficie (Ts)

Trabajo: TI/UI-22/101

20 0 C

250 0 C

Tabla 3.- Durezas obtenidas de los cordones de soldadura depositados Tipo de Coeficiente de Dureza electrodo Factores Dilución HRC YD Ts Is Ama Amb 20 160 0.185 21.8 20.6 Conomang 20 180 0.268 18.3 24.5 250 160 0.357 27.0 21.8 250 180 0.358 23.4 22.0

Durmatic H-10

20 20 250 250

140 180 140 180

0.094 0.087 0.161 0.173

53.6 53.6 48.9 50.0

54.4 53.1 46.5 45.0

Hard Alloy 61

20 20 250 250

160 180 160 180

0.318 0.188 0.359 0.358

60.0 58.9 55.7 51.6

59.1 58.3 56.4 42.1

Gráficas

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Gráfica 1.- Electrodo Conomang

Trabajo: TI/UI-22/101

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Gráfica 2.- Electrodo Durmatic HD-10

Trabajo: TI/UI-22/101

5as Jornadas de Investigación Universidad Autónoma de Zacatecas

25 al 29 de Junio del 2001

Gráfica 3.- Electrodo Hard Alloy 61

Trabajo: TI/UI-22/101