En este estudio se muestra un análisis del comportamiento del coeficiente de desgaste en seco de compuestos de matriz metálica (MMC), base acero inoxidable 316 reforzado con partículas de carburo de titanio (TiC) de acuerdo con la norma ASTM G 99–05 en un tribómetro para la realización de ensayos de desgaste mediante el contacto y rozamiento de dos materiales entre sí, uno en forma de disco y otro en forma de varilla o bola (pin-on-disk). En el estudio se evalúa el efecto que tiene el porcentaje de refuerzo en los MMC fabricados con 3, 6 y 9% (vol.) de TiC, en muestras compactadas a 800 MPa, dando lugar a diferentes valores de tamaño de grano, dureza y densidad, los cuales son sinterizados por medio de descarga luminiscente anormal, a una temperatura de 1200 °C ±5 °C, con atmósfera de protección de H2 – H2 y tiempo de permanencia de 30 minutos. De acuerdo a los resultados obtenidos se concluye que la mejor condición de fabricación de los MMC, se consigue cuando la mezcla contiene 6% de TiC, alcanzando el menor tamaño de grano, la mayor dureza y el más bajo coeficiente de fricción. En este sentido, se observó que la incorporación de partículas de cerámica (TiC) en matriz de acero austenítico (316) presentan mejoras significativas en la resistencia al desgaste.
La demanda de componentes de acero fabricado por pulvimetalurgia (PM) está aumentando de manera significativa y diferentes aceros PM han encontrado aplicaciones, principalmente en el sector de la automoción para sistemas de motor y de transmisión (Ceschini
Teniendo en cuenta que el desgaste de los materiales es uno de los principales problemas en la industria, que afecta en gran parte a los sectores de producción (Abenojar
El compuesto de matriz metálica es manufacturado por PM convencional, empleando polvos de acero inoxidable austenítico 316 como matriz metálica, con la composición química mostrada en la
Morfología obtenida con el SEM: a) acero 316 y b) TiC.
Composición química del acero 316 (% peso)
Cr | Ni | Mo | Mn | Si | C | Fe |
---|---|---|---|---|---|---|
17 | 12 | 2,5 | 2 | 1 | 0,08 | equilibrio |
Se usaron tres cantidades diferentes de refuerzo: 3, 6 y 9% (vol.). La mezcla se realiza en un molino planetario marca RESTCH que consta de dos jarras de acero inoxidable con bolas del mismo material de 10 mm de diámetro con una relación 4:1, durante 80 minutos a 180 rpm. La homogeneidad de las mezclas es evaluada por microscopía electrónica de barrido.
Posteriormente las muestras son compactadas uniaxialmente a 800 MPa, presión con la que se alcanzó la mayor densidad de la preforma, empleándose la prensa hidráulica marca ELE International de 1000 KN de capacidad, obteniendo preformados en verde con dimensiones aproximadas de 12 mm de diámetro y 4 mm de espesor.
Después del prensado, las muestras en verde se sinterizan por medio de la generación de una descarga luminiscente anormal de corriente directa (
Equipo de sinterización mediante descarga luminiscente anormal.
Al emplear diferentes condiciones de fabricación variando el porcentaje de refuerzo es necesario evaluar: el tamaño de grano alcanzado de acuerdo a la norma ASTM E112 (
El desgaste se evalúa mediante una prueba de pin-on-disk según la norma ASTM G99-05 ( k=PPV/(N * m) (1)
en la que el coeficiente de degaste (k) se expresa en m2 N−1; PPV es la pérdida de volumen del material, expresada en m3; N es la carga aplicada expresada en N y m es la distancia de deslizamiento expresada en metros, todo ello, para una humedad relativa <30%. Con los resultados obtenidos se evalúa el efecto que tiene el porcentaje de refuerzo frente al desgaste producido en los MMC.
Indudablemente la industria pulvimetalúrgica ha despertado gran interés por las ventajas competitivas que este proceso de manufactura exhibe en relación con otras técnicas de conformado, tal como lo demostraron Torralba y Campos (
La elección correcta del proceso de sinterización es muy importante, hay que utilizar las condiciones de temperatura, tiempo y atmósfera adecuadas para obtener la mejor calidad final de las piezas (Iglesias
Microestructuras obtenidas mediante SEM para los MMC con diferentes porcentajes de refuerzo: a) 3% TiC, b) 6% TiC y c) 9% TiC.
Espectros obtenidos con EDX a tres zonas seleccionadas de los MMC reforzados con 3, 6 y 9% de TiC.
Se aprecia que las muestras están constituidas principalmente por: Oxido de cromo: proviene del oxigeno que se va captando durante el proceso de mezclado. (espectro 1). Carburo de titanio: se encuentra localizado en los límites de grano. Su proporción varía, dependiendo del porcentaje que se haya adicionado a cada compuesto. Las partículas conservan la morfología regular y angulosa que las caracteriza originalmente. (espectro 2). Matriz: constituida por Fe, Cr, Ni, Mo y Si, constituyentes del acero inoxidable austénitico. (espectro 3).
Así se corrobora que el carburo de titanio es un refuerzo químicamente estable que no reacciona con la matriz, tal como lo demostró el estudio realizado por Ni
Reducir el tamaño de grano es uno de los principales retos de la PM, sin perder las propiedades deseadas en el MMC, lo cual se debe a que éste tiene considerable influencia en las propiedades mecánicas de los compuestos. El tamaño de grano se determinó mediante el método de líneas horizontales, con una magnificación de la imagen de 100X, conforme a la norma ASTM E112 (
Número de tamaño de grano para los diferentes porcentajes de refuerzo
% TiC | MMC compactados a 800 MPa | |
---|---|---|
Intercepto lineal (µm) | Tamaño de Grano ASTM | |
0 | 59,40 | 4,9 |
3 | 48,10 | 5,5 |
6 | 46,10 | 5,6 |
9 | 51,30 | 5,3 |
Por lo tanto, se considera que el punto de inflexión que presenta el compuesto reforzado con 6% de TiC se atribuye a la adecuada homogenización que se alcanza con este porcentaje, generando el menor tamaño de partícula cuando los polvos son sometidos al proceso de mezclado en el que las partículas de TiC se anclan mecánicamente en la superficie de la matriz. Este hecho hace que el material pierda continuidad y que con el permanente sometimiento a esfuerzos cíclicos (golpes de los cuerpos moledores), se generen fisuras internas que derivan en el seccionamiento del material y por ende en la reducción de su tamaño.
Para corroborar el efecto que el tamaño de grano tiene sobre la dureza se evaluó cada una de las muestras, evidenciándose que esta propiedad mecánica es inversamente proporcional al tamaño de grano (
Efecto del porcentaje de refuerzo en la dureza.
Las propiedades de un material PM, se producen en gran parte, a través de la mejora del nivel de densidad que se alcance en los compuestos, la cual depende principalmente de la presión de compactación (Gómez
Efecto del porcentaje de refuerzo en la densidad.
En los materiales manufacturados con la técnica de pulvimetalurgia es importante analizar diferentes condiciones de fabricación que conlleven a obtener una mejor respuesta del compuesto en servicio. De acuerdo a lo anterior se evidencia que el porcentaje de refuerzo sí tiene efecto sobre el comportamiento frente al desgaste. Al analizar los valores de los coeficientes de fricción que son obtenidos del tribómetro pin-on-disk durante el ensayo de deslizamiento en seco (
Efecto del porcentaje de refuerzo en el coeficiente de fricción y de desgaste.
El análisis de la huella dejada en los MMC producto de la prueba de desgaste se tomó a una magnificación de 200 aumentos con el método de electrones secundarios y con voltaje de aceleración de 20 kV. En la
Microestructuras obtenidas mediante SEM para MMC con diferentes porcentajes de refuerzo: a) 0% TiC, b) 3% TiC, c) 6% TiC y d) 9% TiC.
En la
A partir de esta investigación se demuestra que mediante la generación del plasma producido por la descarga luminiscente se logra sinterizar material compuesto manufacturado por pulvimetalurgia, alcanzando la temperatura de trabajo en un menor tiempo.
El acero PM exhibe el mayor desgaste con un alto coeficiente de fricción y baja dureza, demostrando que la mezcla de partículas cerámicas en una matriz austenítica permite mejorar las propiedades de desgaste de todo el sistema. Lo anterior es válido para los tres porcentajes de refuerzo empleados en la fabricación de los MMC. Se evidencia que el tamaño de grano, densidad y dureza alcanzada con el 6% (vol) de TiC, garantiza que los MMC presenten el más bajo coeficiente de fricción (0,2355) y el menor coeficiente de desgaste (2,62×10−13 m3 N−1 m−1). Así se determina que el tipo de desgaste presente en todas las muestras corresponde a desgaste abrasivo, en el que se evidencia desprendimiento de material y presencia de huellas características de este tipo de desgaste, siendo más visibles en los contenidos altos de refuerzo (9% TiC), ocasionado porque el compuesto experimenta desgaste abrasivo de tres cuerpos.