INFORME de Recuperacion de Piezas Por Soldadura (PACCAYA ZINANYUCA NESTOR)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALÚRGICA

CURSO: SOLDADURA Y CORTE DE METALES

Alumna: Vega Vilca Elizabeth Victoria Valdivia Pacha Diego Fernando Paccaya Zinanyuca Jose Nestor Baca Galdos Jose Fernando DOCENTE: Ing. Guido

AREQUIPA-2020

Contenido CAPITULO I .......................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 3 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 3 CAPÍTULO II ......................................................................................................................................... 4 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 4 APLICACIONES ................................................................................................................................. 4 SOLDADURA DE FABRICACIÓN. ..................................................................................................... 13 SELECCIÓN DE UN RECUBRIMIENTO DURO .................................................................................. 14 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO UTILIZADO .......................................................................................... 15 PROPIEDADES DE LOS RECUBRIMIENTOS APLICADOS .................................................................. 16 VENTAJAS DEL MÉTODO Y RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA APLICACIÓN DEL MÉTODO ....................................................................................................................................................... 16 ENSAYOS APLICADOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL METAL BASE .......................................... 17 1.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL METAL BASE: ..................................................................... 17

2.

ANÁLISIS METALOGRÁFICO EN SOLDADURAS ASTM E-3/07, E-407/05............................ 19

3.

ENSAYO DE MICRODUREZA ASTM E384/08 ...................................................................... 19

4.

ENSAYO DE RESISTENCIA AL DESGASTE ASTM G40-92 ..................................................... 20

5.

MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO (MEB) ............................................................ 21

6.

ENSAYO DE ADHERENCIA ASTM C 297/04 Y ASTM D 4541/02 ......................................... 22

CAPITULO III ...................................................................................................................................... 23 METODOLOGÍA DE APLICACIÓN.................................................................................................... 23 CAPITULO IV ...................................................................................................................................... 29 EJEMPLO DE APLICACIÓN .............................................................................................................. 29 MAQUINARIA AGRICOLA ........................................................................................................... 29 CAPITULO V ....................................................................................................................................... 33 CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 33 BIBLIOGRAFIA ................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. LISTADO DE FIGURAS ................................................................................................................ 34 LISTADO DE TABLAS .................................................................................................................. 34

CAPITULO I INTRODUCCIÓN La recuperación de piezas por soldadura es muy importante para todo sector que opera mecanismos y procesos donde existan piezas mecánicas asociadas. Este procedimiento permite recuperar piezas al menor costo y con rendimientos normalmente superiores a una pieza nueva, esto tiene un gran impacto en la economía del negocio dado que se logrará bajar los costos por reposición de dichas piezas. También permite que los tiempos de recuperación sean menores a los de la fabricación de una pieza nueva. Elimina el tiempo de espera en caso de realizar importaciones o fabricaciones fuera de la Empresa. Se genera valor agregado en los profesionales a cargo de Mantenimiento y se promueve el arte de la Ingeniería tanto en profesionales sénior como junior. Adicionalmente, con la recuperación de piezas deterioradas se aporta notablemente a la conservación del medio ambiente.

OBJETIVOS Objetivo general 

Desarrollar el tema de Recuperación de Piezas por soldadura.

Objetivos específicos 

Seleccionar el material de aporte a utilizar según las características del metal base, del desgaste o del tipo de rotura.



Conocer el proceso de soldadura más apropiado para cada caso de recuperación



Reconocer procesos adecuados de ENDs (Ensayos no Destructivos) en la detección de defectos.

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO Los revestimientos duros y la soldadura de mantenimiento prolongan la vida útil de la maquinaria, al obtener altos rendimientos durante más tiempo y reducir el número de fallas. La avanzada tecnología de los recubrimientos, provee a las industrias, uno de los medios más eficaces para combatir el desgaste prematuro, adelantándose a la falla o al momento en que el equipo deja de trabajar en sus condiciones óptimas. De esta forma se optimiza la disponibilidad de la maquinaria, se disminuye costos de mantenimiento y se maximiza la vida útil. Los recubrimientos duros que se aplican al mantenimiento industrial son para aumentar la disponibilidad inmediata de repuestos y disminuir costos de reparaciones. Con ello se logra un aumento en la disponibilidad de sistemas críticos y se reduce drásticamente la compra de repuestos. Son muchos los factores que pueden afectar una pieza o estructura metálica, causando daños o deformaciones en estas, las cuales van en detrimento de las propiedades del material y en la economía de las industrias. Entre estos factores se pueden mencionar, el desgaste, la fatiga y la corrosión. El desgaste es uno de los principales responsables por la mayor parte de deterioro y salida de servicio de piezas mecánicas, mientras la corrosión es la responsable por el deterioro de estructuras metálicas. Por otro lado, la fatiga sólo causa daño cuando la pieza o elemento mecánico sobrepasa el valor de los esfuerzos cíclicos admisibles. Son varias las formas en que el hombre ha tratado de recuperar piezas deterioradas, y una de ellas es la utilización de recubrimientos duros.

APLICACIONES Reparación de piezas por soldadura. 1. 2. 3. 4. 5.

Piezas de acero fundido. Piezas de acero de herramienta. Piezas de acero al manganeso. Piezas de acero inoxidable. Piezas de aceros inoxidable fundido resistente al calor.

1. Reparación de piezas de acero fundido. Las piezas de acero fundido utilizadas en la construcción de maquinarias, representan un alto volumen, están entre el 40-50% de la masa total de los equipos. Además, ellas por su diseño determinan en gran medida la capacidad de trabajo y la fiabilidad de las máquinas en que están instaladas, las que están dadas por los criterios de resistencia a las vibraciones, precisión de trabajo, etc. Estas piezas se pueden clasificar de acuerdo a su función en cuatro grupos fundamentales: 1234



Tipo bastidor. Tipo bancada. Tipo caja. Tipo elemento. Los bastidores son los encargados de soportar los conjuntos principales de las máquinas, permiten situarlas correctamente en una posición mutua y soportar los esfuerzos principales que actúan en las máquinas. Las bancadas se diferencian de los bastidores en que los conjuntos constitutivos que van sobre ella, están sueltas o se deslizan sobre la misma.

 

Las cajas son las que mantienen o contienen en su interior los mecanismos de las máquinas. Los elementos son los que cumplen una determinada función dentro de los mecanismos. Todos estos elementos por diferentes motivos se deterioran por rotura, siendo necesario la reparación por soldadura de los mismos

Aspectos tecnológicos. La soldadura por arco se utiliza para la reparación de las piezas de acero fundido, aunque también se utiliza en la manufactura de ellas cuando es necesario ensamblarlas con aceros laminados o con partes de estructuras, además de esto, la soldadura también se utiliza en la reparación de defectos de fundición tales como rechupes y oquedades, los que son consecuencia de las operaciones de fundición de partes. Los problemas metalúrgicos que poseen estos materiales frente a la soldadura son similares a los que presentan los aceros laminados de la misma composición química, sin embargo son más difíciles de soldar debido a: 1.

Mayor nivel de tensiones internas.

2.

Mayor tendencia al agrietamiento de las secciones gruesas.

La soldadura SMAW es utilizada en la mayoría de las reparaciones, aunque la soldadura automática y semiautomática pueden ser ventajosas en uniones largas y voluminosas y en operaciones repetitivas. De estos procesos el GMAW y el SAW son los más usados. Preparación para soldar. Los métodos para remover los defectos son los mismos que se utilizan en las reparaciones de los aceros laminados e incluyen los métodos neumáticos o térmicos como pueden ser el esmerilado o arco-aire y cualquier otro método. Toda traza de defectos debe ser eliminada de la fundición antes de soldar, la eliminación de estos defectos a veces es difícil dado las características de las fracturas, las que al ser muy profundas no se notan, en tales casos se pueden utilizar líquidos penetrantes para poder observar cuando el defecto ha sido eliminado completamente; donde sea posible, las caras de la superficie preparada debe llegar hasta el fondo de la ranura. Algunas veces dos o más defectos pueden localizarse en el mismo lugar y no detectarse durante la inspección, después de eliminado el primero debe realizársele pruebas y volver a realizar la misma operación para soldar. Cuando el defecto atravieza la sección de la pieza de un lado a otro, lo recomendado es virar la pieza y dar uno o más pases par rellenar la raíz de la parte a soldar, si no es posible hacerlo de esta forma, se utilizará un apoyo que puede ser de algún material refractario el cual tiene que estar completamente seco, también se pueden usar como apoyos el cobre, aceros al carbono o aceros inoxidables. Operación de soldadura Precalentamiento: La mejor manera de eliminar problemas tales como grietas calientes, grietas frías, la porosidad y deformaciones permanentes es disminuyendo el gradiente de temperatura entre el metal fundido y la ZIT, esto se hará efectivo con la selección conveniente de la temperatura de precalentamiento, temperatura entre pasadas y tratamiento térmico post-soldadura.

1. Precalentamiento total - Cuando toda la pieza es calentada, usualmente en un horno. 2. Precalentamiento local - Cuando solo se calienta la sección alrededor de el lugar que se va a soldar, utilizando antorchas de gas o resistencias eléctricas. De los dos, el total es preferido ya que minimiza las tensiones locales.

2. Reparación por soldadura de piezas de Aceros de Herramienta Los aceros utilizados para la fabricación de herramientas, troqueles y punzones, son los materiales más duros y resistentes de los aceros que se utilizan en la industria, lo que está dado por sus diferentes composiciones químicas, en la siguiente tabla:

Tabla 1: Composición química de los principales aceros de herramienta.

Problemas de soldabilidad Virtualmente todos los aceros herramentales son soldables con varios grados de dificultad, entre estas dificultades tenemos: 1.

La baja conductividad, reteniendo el calor y posibilitando el crecimiento del grano.

2. La presencia de elementos de aleación, así como, el contenido de carbono, posibilitan la formación de estructuras de alta dureza y agrietamiento Proceso de soldadura

La reparación de las piezas de acero de herramientas, pueden ser realizadas con casi todos los procesos de soldadura por arco. La selección del proceso depende del tamaño de la pieza, la complejidad, la operatividad, la observancia de lo referido a la temperatura de precalentamiento, etc. El proceso SMAW es ampliamente utilizado, la principal razón de su uso está en la flexibilidad, el simple equipamiento y la gran variedad de composiciones de metales de aporte que poseen los electrodos revestidos. Piezas de dimensiones pequeñas y medianas son frecuentemente soldadas con GTAW, este proceso es particularmente empleado en pequeñas áreas cuando es requerido bajo aporte térmico y una mínima dilución. Para piezas masivas, particularmente en la reparación de grietas presentes, o en la reconstrucción de grandes superficies, las soldaduras son realizadas más económicamente con procesos automáticos o semiautomáticos. A continuación se brindan una serie de recomendaciones factibles para la reparación de estos aceros: 1- Utilización de electrodos del menor diámetro posible. 2- Preparar la superficie por maquinado o esmerilado, las grietas deben ser vaciadas en U y no en V ya que el ángulo agudo facilita el agrietamiento. 3- Esmerilar o maquinar la pieza en una profundidad de 2 mm aproximadamente que exceda las dimensiones de ella. 4- Limpiar la superficie antes de soldar para evitar la presencia de óxidos y grasas. 5- No suelde a temperatura ambiente, siempre dé precalentamiento. 6- Minimice el calor aportado, utilice voltaje y corrientes mínimas en especial en las segundas pasadas y en las de cierre. Precalentamiento y temperatura entre pasadas. Como expresamos antes, estos materiales no se pueden soldar sin precalentar. El precalentamiento dependerá, además de la composición química, de si el metal está recocido o endurecido, estas temperaturas se pueden ver en la tabla de abajo.

Reparación por soldadura de piezas de Aceros Austeníticos al Manganeso Para la fabricación de piezas que trabajan al desgaste con altas presiones, como lo son las mandíbulas de las trituradoras y cruces de vías férreas, se emplea el acero austenítico al manganeso el cual contiene entre 1.0-15% C y entre 11-15% Mn. Estos aceros se producen fundidos, poseyendo una estructura austenítica con carburos en exceso (Fe, Mn)3C los cuales se localizan en los límites de los granos, lo que provoca que estos elementos posean una elevada fragilidad, es por eso que se someten a un temple a 1100ºC con enfriamiento en agua, mediante el cual se disuelven los carburos, adquiriendo una estructura completamente austenítica. Este material posee una baja dureza, pero sometido a una fuerte deformación en frío, se endurece hasta valores de 50-60 HRC. El mecanismo mediante el cual estos materiales adquieren la dureza no está totalmente explicado, ya que se suponía que el mismo ocurría debido a la formación de martensita de deformación, pero mediciones han demostrado que las deformaciones solo pueden formar 0.51.5% de martensita, cantidad que no puede elevar mucho la dureza del acero, es por esto que se piensa

que la acritud puede ser la causa, pues debido a la deformación, los bloques de la estructura se dividen en un número mayor que en los aceros normales. El acero al Mn o Hardfield se puede soldar entre sí, reparar defectos de fundición, así como unirlo con aceros al carbono y aleados. Para su preparación se puede usar el oxicorte; sin embargo, su tendencia a la fisuración por sobrecalentamiento, provoca que el mismo sea enfriado constantemente con agua para evitar el mismo. Para su soldadura se dispone de dos tipos fundamentales de electrodos. 



E- FeMn-A: Se le conoce como electrodo de Ni-Mn, posee entre 3-5% Ni y 12-14% Mn, el carbono es bajo y fluctúa entre 0.5-0.9%, es el más frecuente en la soldadura de acero al Mn con acero al carbono. E-FeMn-B: A este se le conoce como electrodo al Mn-Mo, pues posee entre 0.6-1.4% Mo.

También se pueden utilizar electrodos de acero inoxidable para la soldadura de aceros al Mn con aceros al carbono, los más comunes son los del tipo del tipo 18-8, aunque también se pueden usar los del tipo 29-9. Al efectuar las operaciones de soldadura, se debe tener en cuenta una serie de recomendaciones: 1Utilice corrientes lo más bajas posible. 2-Mantenga el metal base lo más frío posible, las partes pequeñas deben enfriarse con frecuencia en agua. 3-Nunca precalentar. 4- Realice el martillado de los depósitos con vistas a disminuir los esfuerzos traccionales que pueden provocar fisuras.

3. Reparación por soldadura de piezas de Aceros Inoxidables. El análisis de los aceros inoxidables al cromo parte de un contenido mínimo del 12% Cr, que proporciona al acero una característica pasividad de la película de óxido autoprotectora formada en medios principalmente oxidantes, lo que le confiere su carácter de no oxidable. Las aleaciones Fe- Cr presentan un diagrama de transformación complejo y su comprensión es básica para entender el problema de su soldabilidad. Unas breves notas nos ponen en contacto con los diferentes tipos de acero inoxidable al cromo y sus propiedades. La ferrita con contenidos hasta de un 12% Cr se transforma, en el calentamiento, en austenita, la cual, por enfriamiento rápido hasta la temperatura ambiente puede transformarse en martensita, dando lugar a los aceros martensíticos. Contenidos superiores al 13% Cr producen aleaciones ferríticas a temperatura ambiente, constituyendo este tipo de aleaciones el grupo de los aceros inoxidables ferríticos. Para contenidos de cromo entre 12 y 13%, se forman a temperaturas elevadas estructuras bifásicas, que a temperatura ambiente, presentan estructura mixta de ferrita y martensita, constituyendo el grupo de aceros inoxidables martensíticos-ferríticos. El níquel, en pequeños contenidos, no ejerce influencia sobre la microestructura de los aceros.

Aceros inoxidables martensíticos.

Su contenido en cromo se sitúa entre 11,5 y 18% y, lógicamente presentan la transformación alotrópica de austenita a martensita. El más clásico, tipo 410, presenta la composición típica del 12% Cr con bajo carbono y adición de aleantes para mejorar las características mecánicas a alta temperatura. Por razones de soldabilidad, el contenido de carbono está muy limitado y como consecuencia, debe limitarse el contenido de cromo, ya que al ser un elemento alfágeno, el bucle de transformación austenítica será muy limitado. La dureza y resistencia del acero se incrementan hasta el 0,6% C y contenidos superiores, contiene gran cantidad de carburos que incrementan su resistencia a la abrasión. En estos aceros, se produce la completa transformación austenítica a 1000ºC y transformación incompleta entre 800 y 950ºC produciendo en el enfriamiento estructura de ferrita y martensita que tiene consecuencias en el comportamiento de la zona afectada térmicamente, por el proceso de soldadura. Para conseguir tenacidad se hace necesario un tratamiento térmico de revenido y el ajuste de su temperatura modificará las características mecánicas y la tenacidad. La martensita constituye la microestructura base a temperatura ambiente por lo que, para limitar su dureza se recurre a adiciones de Ti, Nb, o Al como formadores de carburos. La cantidad de martensita, importante en la consideración de la zona afectada térmicamente de la unión soldada, se incrementa con el contenido en carbono y disminuye al incrementar el cromo. Aceros 0,15 % C y 12% Cr, son 100% martensita , mientras con 0,04% C y 14% Cr solo presentan 10% martensita. Por esta razón la soldadura de los aceros 13% Cr es muy crítica frente a ligeras variaciones en su composición. Si el contenido de martensita es inferior al 10% en la zona afectada térmicamente, el acero se comporta dúctil, y no necesita un tratamiento post-soldadura; con contenidos superiores al 50% de martensita, la unión debe ser tratada para disminuir la dureza y ganar ductilidad. En los aceros 17% Cr la cantidad de martensita resultante en la zona afectada térmicamente es inferior, dado su mayor contenido en Cr, a lo que se une la aleación con elementos alfágenos, generalmente Al y V. Por tanto, la ductilidad de los aceros inoxidables que contienen martensita en la zona afectada térmicamente, depende de la cantidad de la misma y lógicamente, de su espesor, dado que con el incremento del espesor la ductilidad de la zona soldada disminuye, haciendo necesario el tratamiento térmico para transformar la estructura martensítica en estructuras bainíticas mas o menos groseras. En la soldabilidad de los aceros martensíticos influye mucho su templabilidad, que es un factor importante a tener en cuenta en la presencia de la grieta en frío, junto con el contenido de hidrógeno del metal de aporte y el grado de embridamiento a que se encuentra sometida la unión.

Aceros inoxidables ferríticos. Los aceros inoxidables ferríticos poseen suficiente contenido de cromo y elementos alfágenos, evitando de ese modo la formación de austenita en el calentamiento, por esta razón no son templables y por tanto no afectados por pos tratamientos térmicos post-soldadura. En los tipos más utilizados puede observarse que los de bajo Cr presentan un bajo contenido de carbono y adición de alfágenos: Al en el 405 y Ti en el 409, mientras que contenidos más altos en Cr permiten elevar el C y en algunos tipos el N. Los elementos Ti y Nb al ser formadores de carburos, disminuyen el contenido de carbono en la solución sólida, lo que mejora, en composiciones límites y rápidos enfriamientos , donde una pequeña proporción de martensita puede formarse en los bordes de grano ferríticos, las características de ductilidad de la unión soldada. No obstante, en la mayoría de los aceros ferríticos la ductilidad obtenida es aceptable sin tratamiento térmico post-soldadura y únicamente para obtener un grado

óptimo de ductilidad y resistencia a la corrosión, será sometida la unión a recocido entre 760-820ºC que transformará la martensita en ferrita y carburos esferoidales. En determinados tipos de aceros se recurre para evitar la formación de martensita dura y frágil, al empleo de estabilizadores del carbono, por ejemplo, Ti o Nb. El punto fundamental a tener en cuenta en los aceros inoxidables ferríticos es su tendencia al crecimiento del grano, cuando son calentados por encima de 900ºC, lo que ocurre a temperaturas más bajas y en menor tiempo que en el caso de los aceros austeníticos, motivado por su red atómica que ocasiona pérdida de tenacidad. La recuperación de la tenacidad puede lograrse afinando el grano mediante deformación en frío y tratamiento térmico de recocido. Un tipo de fragilización a causa de la supersaturación de la zona afectada térmicamente por disolución de los carburos y nitruros existentes puede presentarse en soldadura. La fragilidad está en proporción a los contenidos de C y N, incrementándose con contenidos mayores de estos elementos, pero también influenciada en el mismo sentido por incrementos en el contenido de Cr. La soldabilidad de los aceros inoxidables ferríticos, se basa en poder conseguir la compatibilidad de dos hechos contrapuestos:  

Crecimiento del tamaño del grano, lo que exige soldar con pequeña aportación de energía. Precipitación de martensita en borde del grano, en los aceros sin elementos estabilizadores, lo que obliga a una velocidad de enfriamiento de la unión soldada no excesivamente elevada.

La soldabilidad de los aceros ferríticos, puede ser establecida su metodología en base a las consideraciones expuestas a continuación. Los aceros completamente ferríticos no son precalentados dada su tendencia al crecimiento del grano con la consiguiente pérdida de ductilidad. En los aceros que forman parcialmente martensita en los bordes del grano, el precalentamiento trata de evitar la fisuración en la zona afectada térmicamente y disminuir las tensiones residuales. El rango de temperatura se establece entre 150- 230ºC, según el espesor a soldar, el grado de embridamiento de la unión y en definitiva, las características mecánicas a ser exigidas a la unión soldada. La mayor parte de los aceros ferríticos se sueldan con electrodos austeníticos, tipo E310 (25 Cr-20 Ni) o E309 (22 Cr-12 Ni), según el servicio a que será sometido el acero. La soldadura se realiza con arco muy corto con el objetivo de prevenir la oxidación del cromo y la contaminación por nitrógeno, eliminándose el riego de porosidad; por otra parte, debe recordarse la dificultad de poder transferir a partir del metal de aporte, aleantes Al y Ti, lo que dificulta la soldadura de los aceros que los contienen, al no poder emplear aportaciones de composición similar. Aportaciones del tipo 409 y 430 son empleadas para la soldadura de sus aceros análogos. El tipo E430 aporta entre 15 y 17%Cr lo que proporciona un balance entre resistencia a la corrosión y grado de ductilidad adecuado, siendo necesario precalentar y post-calentar la unión soldada para conseguir un óptimo de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. Alambres del tipo ER 26-1 se emplean en soldadura semiautomática con gas inerte para el acero tipo 26-1, debiéndose tener especial cuidado en la limpieza de materiales y zonas adyacentes a la soldadura, dada la alta pureza de este tipo de materiales. En la soldadura bajo protección gaseosa, se emplean mezclas ligeramente oxidantes: argón con 1% de O2 y helio con argón y 2,5% CO2. Se prefiere la transferencia ce material por cortocircuito, que

al necesitar menor intensidad y tensión, proporciona un menor aporte térmico a la unión, limitando la tendencia al crecimiento del grano en la zona afectada térmicamente; lógicamente, para espesores mayores puede existir peligro de pegaduras o faltas de fusión y debe ser incrementada la energía aportada, aún a costa de tener una mayor dilución si se emplea aportación de tipo austenítico. Algunos tipos de estos aceros pueden soldarse con arco sumergido y debe recordarse que la transferencia de elementos aleantes está muy condicionada por el tipo de fundente empleado, y en este sentido, un fundente de tipo neutro requerirá una superior composición química del alambre para compensar las pérdidas a través del arco; por el contrario, los fundentes fundidos o aglomerados permiten añadir elementos aleantes al metal fundido, empleándose con ellos un alambre sin excesiva aleación. El tratamiento de los aceros inoxidables ferríticos se lleva a cabo a temperatura subcrítica (700800ºC) para evitar el crecimiento del grano y enfriamiento rápido en el intervalo 550-350ºC con objeto de evitar la fragilización y pérdida de la tenacidad. Estos aceros tienen un coeficiente de dilatación similar a los aceros al carbono, peor su conductividad térmica es aproximadamente la mitad, lo que debe tenerse en cuenta en las aportaciones para soldaduras diferentes. En resumen, la soldadura de los aceros inoxidables ferríticos, sin elementos estabilizadores, se puede utilizar aportación de composición química homogénea y tratamiento post-soldadura entre 750850ºC, o bien empleando aportación de tipo austenítico, menos aconsejable, cuando el problema es de formación de martensita en los bordes del grano de la zona afectada, al no poder revenirla sin tratamiento post-soldadura y resultar éste poco apropiado para el material austenítico. Los inoxidables ferríticos con elementos estabilizadores se sueldan con aportación ferrítica o austenítica sin especificar tratamiento post-soldadura en ambos casos. Aceros inoxidables austeníticos. Es indudable que los aceros inoxidables austeníticos constituyen la más importante aplicación en los procesos industriales, y desde luego, cuando interviene en la construcción el proceso de soldadura. Por esta razón la soldadura de estos aceros, en sus diferentes tipos, bien soldados asimismo, como entre diferentes tipos o en uniones disimilares con aceros al carbono y en procesos de recargue o aceros chapeados; se considera fundamental en el proceso de elaboración y construcción de gran número de industrias. Los puntos fundamentales a tener en cuenta en la soldadura de estos aceros pueden resumirse en las consideraciones expuestas a continuación. 

 

Existen diferencias en composición y principalmente en el contenido de carbono, lo que producirá diferentes cantidades de carburo precipitado en la zona afectada térmicamente, como consecuencia del ciclo térmico a que encontrará sometida la unión soldada. Algunos contiene selenio o azufre para facilitar su mecanizado, lo que incrementa el riesgo de fisuración en caliente del baño de fusión. Otros tipos contienen molibdeno para incrementar su resistencia a la corrosión y su resistencia mecánica a elevadas temperaturas, pero al mismo tiempo, existe la posibilidad de precipitación de carburos en la zona afectada, en forma análoga a lo que ocurre en los aceros que poseen titanio o niobio y tantalio.

En general los aceros inoxidables austeníticos presentan una soldabilidad más satisfactoria que los ferríticos y martensíticos, con uniones de gran tenacidad, aunque no se dé tratamiento después de la soldadura. Es de destacar, sin embargo, su coeficiente de dilatación térmica, aproximadamente un

50% mayor que en los aceros al carbono, mientras que su conductibilidad es únicamente una tercera parte, lo que se traduce en las soldaduras en fuertes distorsiones. Problema esencial en la soldadura de estos aceros lo constituye el efecto de la precipitación de carburos sobre la resistencia a la corrosión de las uniones, y que los dos efectos que aceleran el proceso de precipitación son el incremento de la temperatura en el intervalo crítico (800-400ºC) y el tiempo de permanencia en ese intervalo y lógicamente queda reducida a una estrecha banda en los bordes del cordón de soldadura, que se ha visto sometida a un calentamiento dentro de dicho intervalo. La presencia de precipitación de carburo de cromo en los bordes de granos reduce la resistencia a la corrosión y a la corrosión bajo tensión como consecuencia del empobrecimiento en cromo de la matriz adyacente. El metal base inmediatamente próximo al cordón de soldadura sufre un recocido o tratamiento de solución por el propio ciclo térmico y mediante un enfriamiento rápido se consigue disolver los carburos precipitados, presentando una zona de resistencia normal a la corrosión. Solo, por tanto, una estrecha franja de aproximadamente 3 a 5 mm dentro de la zona afectada térmicamente presenta precipitación de carburos. Para prevenir el efecto de dicha precipitación se utilizan en las uniones soldadas tres procedimientos: a) Tratamiento térmico de solución. Supone un calentamiento aproximadamente a 1000ºC, evitándose la oxidación y tomando las precauciones necesarias para evitar distorsiones y posterior enfriamiento suficientemente rápido al pasar el intervalo de temperatura de sensibilización. En la mayor parte de los casos las dificultades inherentes al método lo hacen inviable. b) Empleo de aceros inoxidables con bajo contenido de carbono. De esta forma se evita la posibilidad de precipitación de carburos, pero una larga permanencia del acero a temperatura superior a 400ºC termina produciendo precipitación. c) Empleo de aceros estabilizados. Son recomendables, según lo anterior, para altas temperaturas de servicio, no obstante y bajo ciertas condiciones, estos aceros son susceptibles a la sensibilización en una banda muy estrecha adyacente al borde de fusión (corrosión en cuchillo). La causa se debe a la disolución de los carburos por la alta temperatura y su retención en solución por el rápido enfriamiento; un recalentamiento posterior a 600ºC hace precipitar carburo de cromo en dicha banda. Otro problema importante en la soldadura de estos aceros, lo constituye la microfisuración de las uniones soldadas, es decir, la fisuración intergranular que aparece en el metal fundido o en el metal base próximo al borde de fusión, denominada generalmente, fisuración (grieta) en caliente. La mayor parte de los aceros inoxidables pueden ser soldados por diferentes procedimientos de soldaduras, tanto mediante el empleo de arco eléctrico, de la resistencia, de la presión mecánica, etc; pero indudablemente la soldadura eléctrica por arco en sus modalidades de electrodo revestido, MIG con alambre desnudo o tubular, TIG, plasma y arco sumergido, constituyen los procedimientos empleados usualmente. Dada la facilidad de oxidación de los aceros inoxidables, la base de los procedimientos de soldadura consiste en obtener una adecuada protección para impedir la formación de óxidos refractarios, para lo cual, se recurre a atmósferas neutras o ligeramente reductoras, al empleo de escorias o a la soldadura en vacío. Por este motivo no se utiliza la soldadura oxiacetilénica, ya que no garantiza una perfecta protección y presenta riesgo adicional de carburación o de oxidación del baño por deficiencias en el ajuste de la llama.

En los hornos de pirólisis los tubos forman un serpentín por los que circula la mezcla (hidrocarburos + vapor) en una proporción de 1:5. La temperatura de entrada es de 700ºC aproximadamente y los productos salen con alrededor de 850ºC, en el exterior de los tubos puede haber 1100ºC. La atmósfera interna en este caso es fuertemente carburante, provocando la degradación de las propiedades de los tubos y formando una capa interna de coque que perjudica el paso el calor. En lo que respecta a la composición química, estos aceros se asemejan a los aceros de alta aleación resistentes a la corrosión, excepto en el contenido de carbono que es más elevado y confiere buena resistencia mecánica a altas temperaturas. La aplicación de estos aceros está incluida en los equipamientos militares, hornos de tratamiento térmico, turbinas de gas, hornos de refinerías de petróleo y equipamiento de procesos químicos; los aceros de los tipos hierro-cromo y hierro-cromo-níquel son los de mayor importancia comercial, siendo los tipos HK los más utilizados. Soldadura de los aceros inoxidables fundidos. En el montaje y mantenimiento de las piezas de acero inoxidable fundido es necesaria la utilización de procesos de soldadura por fusión tomando siempre las precauciones necesarias. De forma general los materiales fundidos son metalúrgicamente más complejos, la segregación durante la solidificación es el principal obstáculo en el proceso de soldadura. En el caso especifico de los aceros inoxidables fundidos, la gran heterogeneidad de su composición química y microestructural, tiende a provocar durante la soldadura la aparición de áreas de fusión incipientes en los alrededores de la línea de fusión, creando defectos del tipo de entallas de licuación, en regiones más alejadas de la soldadura se forma una precipitación secundaria que da como resultado variaciones en las propiedades mecánicas que afectarán el desempeño del metal cuando está en servicio. La exposición a las temperaturas de servicio también provoca la transformación de la microestructura inicial así como las propiedades mecánicas, principalmente la reducción de la ductilidad. La soldadura de estos materiales se puede dividir en: soldadura de fabricación, donde los componentes son nuevos y no han sido expuestos a altas temperaturas; y soldadura de reparación, que incluye la soldadura entre materiales que ya fueron expuestos a temperaturas de trabajo y la soldadura entre componentes envejecidos y nuevos. (Martínez, 2012) Los principales problemas que afectan a la soldadura de estos aceros son:  

Tanto nuevos, como envejecidos en servicio, poseen baja ductilidad. La exposición a temperatura entre 650-1000ºC durante la soldadura o en servicio pueden reducir la ductilidad a valores tan bajos como 1,5% (debido a la precipitación secundaria).

Este factor junto con la tensiones generadas durante la soldadura pueden llevar a la aparición de grietas.  

La exposición durante el servicio a ciertos gases del proceso a temperaturas elevadas, puede carburar el acero haciéndolo no soldable. La presencia de defectos tales como, porosidad y microcontracciones dificulta la soldadura.

SOLDADURA DE FABRICACIÓN. Durante el montaje de plantas utilizando componentes nuevos, es esencial el mantenimiento de la ductilidad de la junta, para eso el metal base debe ser mantenido lo más frío posible, evitando por

tanto el uso de cortes oxiacetilénicos o similares, es aconsejable la utilización de agua u otros medios refrigerantes. Remoción de áreas defectuosas durante la preparación de la unión. DESCRIPCION PROCESO DE SOLDADURA Los procesos utilizados tradicionalmente son: Electrodo revestido (SMAW) con corriente directa. TIG (GTAW) con corriente directa, utilizando como gas protector argón puro o argón más 5% de helio. Ambos procesos son usados con metal de aporte y se puede realizar de dos formas: 1. GTAW para todas las pasadas procurando minimizar el aporte de calor y controlando la temperatura entre las pasadas (este proceso no forma escoria y no necesita parar para limpiar entre pasada) 2.

SMAW con pasada de raíz de GTAW, cuando se desea aumentar la productividad.

SELECCIÓN DE UN RECUBRIMIENTO DURO El recargue o recubrimiento protector consiste en el depósito de una o varias capas de soldadura que se caracterizan por poseer propiedades mecánicas superiores a los metales convencionales, donde se desea incrementar la resistencia a la abrasión, erosión, corrosión, temperatura o la combinación de estos en las superficies de piezas desgastadas o deterioradas evitándose de esta manera el costoso reemplazo de la pieza. Existe un amplio rango de recubrimiento de acuerdo con los problemas de operación que se quieren controlar, desde los resistentes a la abrasión severa presente en máquinas procesadoras de minerales, hasta los capaces de minimizar el desgaste metal-metal entre elementos de máquinas con pequeñas tolerancias. Para una buena aplicación de un recubrimiento duro se deben tener en cuenta algunas consideraciones básicas; como todo proceso de soldadura, tiene en cuenta el metal base, las características físicas de . la pieza, forma y composición de la aleación para el recubrimiento, y el proceso de soldadura tanto como la habilidad del soldador y el costo de operación. Los recubrimientos duros y rellenos se pueden dividir en cinco clases de acuerdo con las condiciones de servicios, que nos permitirán elegir las mejores aleaciones para el trabajo. Estas son cuatro: Clase 1: Impacto severo. Clase 11: Abrasión muy severa. Clase 111: Corrosión, a menudo con abrasión, y frecuentemente a altas temperaturas de trabajo. Clase IV: Abrasión severa con impacto moderado. Clase V: Abrasión con impacto moderado a severo. Los recubrimientos protectores por soldadura, que deben resistir el desgaste por abrasión, deben cumplir con ciertas propiedades de acuerdo con el tipo de abrasión que se presente: en el caso de la abrasión de baja presión (a dos cuerpos), se pueden utilizar materiales frágiles de alta dureza donde la tenacidad no es de suma importancia; por ejemplo se pueden depositar fundiciones de hierro conteniendo entre 2.5 y 6% de carbón con 20 a 30% de cromo.

En el caso de la abrasión de alta presión (a tres cuerpos), se pueden utilizar materiales con alto índice de dureza y un alto límite de fluencia que absorba las altas presiones de contacto. Cabe resaltar que el material debe ser resistente a la indentación y a la deformación; para este caso deberán emplearse materiales como: aleaciones que depositen carburos de tungsteno, carburos de tungsteno depositados sin fundir por oxidarse, carburos de tungsteno y fundido por arco eléctrico, toda la gama de hierros fundidos de alto porcentaje de Cr, Mo, W, Lí. y aceros martensíticos de alto porcentaje de carbono. Por último, la abrasión por impacto necesita materiales con dureza inferior a la de la superficie, debido a que materiales muy duros tienden a desgastarse mucho más rápido. Para esto se utilizan materiales como: aceros de 14% Mn y 16% Cr., aceros altos en Mn, Cr y Ni. Y aceros martensíticos de alto porcentaje de C . (Núñez, 2007)

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO UTILIZADO Procesos de soldadura SMAW La selección del proceso adecuado de soldadura depende de muchos factores y tiene una influencia fundamental en el costo total de operación. La forma, el tamaño y el peso de la pieza es la que establece si esta puede ser movida a otro lugar para su reparación, o si se requiere que el equipamiento de soldadura se ubique en el lugar de trabajo de la pieza. En el caso de implementos voluminosos, difíciles de mover, el proceso será preferiblemente manual y ejecutado en el lugar de trabajo por soldadores adiestrados usando un equipo portátil. Cuando se requiere de elevado volumen de soldadura pueden implementarse procesos semiautomáticos o automáticos, debido a su mayor razón de deposición. La dilución es en ocasiones un indicador a tener en cuenta para una decisión al respecto. El metal base será quien dicte el procedimiento adecuado, lo que incluye el precalentamiento en materiales propensos al agrietamiento. Las capas de recargue tendrán coeficientes de expansión térmica diferentes del metal base y cuando esto se hace extremo se utilizan capas intermedias de empastado con un tercer material con propiedades intermedias. La dilución en el depósito de recargue se controla mediante el calor aportado el cual debe ser mínimo. Con vistas a disminuir las tensiones residuales se recomienda un enfriamiento lento o en ocasiones el alivio de tensiones. De todos los procesos del grupo de soldadura por arco, el SMAW es el más común y versátil, a pesar de no proveer la mayor razón de deposición. La dilución dependerá de los materiales y del adiestramiento del soldador. (cruz)

Figura 1: Composición química de los principales aceros de herramienta.

PROPIEDADES DE LOS RECUBRIMIENTOS APLICADOS Los recubrimientos metálicos tienden a ser porosos y quebradizos, y difieren en cuanto a su dureza respecto al material consumible original. Las estructuras de los recubrimientos recién rociados serán similares en su naturaleza laminar, pero presentaran características variables, dependiendo del proceso de aspersión empleado, de los parámetros del proceso, de las técnicas empleadas y de la naturaleza del material de aspersión aplicado.La densidad del recubrimiento variará con la velocidad de las partículas, la temperatura de la fuente de calor del proceso de aspersión y de la cantidad de gas utilizada. La densidad también cambia con el tipo de polvo, su tamaño de grano, la tasa de aspersión, la distancia entre la pistola y el sustrato y el método de inyección. Los depósitos rociados térmicamente tienen densidades menores que el 100 % de la densidad de los metales de aporte porque son porosos y contienen algo de óxidos. La porosidad de los depósitos rociados se caracteriza por poros aislados y ocasionalmente interconectados. Es posible sacar provecho a la naturaleza porosa de los depósitos rociados, sobre todo en el caso de superficies que actúan como cojinetes. El examen microscópico es la única forma de evaluar la calidad en el aspecto de porosidad. (La naturaleza de la unión en la condición recién rociada puede modificarse mediante un tratamiento térmico posterior. La modificación se efectúa por difusión, reacción química, o ambas cosas, entre el recubrimiento y el sustrato.

VENTAJAS DEL MÉTODO Y RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA APLICACIÓN DEL MÉTODO  Para la aplicación de recubrimientos duros sobre las superficies desgastadas de la pieza, se evalúa detalladamente el proceso a emplear en estas, teniendo en cuenta que son muchos los factores que afectan la superficie buscando así la mejor alternativa de recubrimiento para protegerla, causando daños y deformaciones, lo cual influye en la disminución de las propiedades del material; además, se ensayaron diferentes combinaciones de soldadura para tener varias alternativas de protección.  En la aplicación de recubrimientos se pueden encontrar diversos defectos, algunos directamente relacionados con la calidad del recubrimiento, otros relacionados con la apariencia del recubrimiento, procesos de soldadura, secuencia de soldadura y control de distorsiones, procedimientos y técnica de aplicación del recubrimiento, poscalentamiento y temperatura entre pasadas.

 Para poder asegurar la calidad en la aplicación de los recubrimientos duros por soldadura, se deben tener en cuenta las diferentes variables que están involucradas en el proceso, tales como el proceso de soldadura a utilizar, las habilidades del soldador, el tipo de electrodo ausarse y los diversos procedimientos que aseguran un control en las distorsiones.  La aplicación de recubrimientos duros por soldadura es una buena opción para recuperar piezas desgastadas, haciendo una buena selección del revestimiento en función al tipo o los tipos de desgaste que presente la pieza.  Si se comparan los procesos de restauración por soldadura y los revestimientos poliméricos, este último ofrece diversas ventajas, como ausencia de distorsión y de zonas térmicamente afectadas, oxidación y tensiones residuales reducidas, además de recuperación de piezas en tiempos cortos.  Las ventajas de los revestimientos son el aumento de la vida útil de la pieza, reduciendo costos de mantenimiento y pérdidas de tiempo, además se reduce el consumo de energía, por la mayor eficiencia en servicio de las piezas recuperadas.

ENSAYOS APLICADOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL METAL BASE 1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL METAL BASE: El análisis químico de acuerdo a la norma ASTM E-1019, E-1085 se realizó mediante la técnica de espectometría de rayos X y la determinación de C y S por la técnica de detección y combustión inflarroja. Se procedió a determinar las propiedades del material base para la selección del material reparador adecuado al uso, encontrándose lo siguiente.

% Elemento Identific C ación Metal 1,56 base

S

Mo

P

V

Cr

0,017

0,96

0,011

0,84

11,53

Tabla 2: Composición química del material base

En la tabla 2.x se muestra la composición química para los materiales de aporte empleados en la reparación de herramentales de conformado de acero grado herramienta por método convencional (GTAW) se utilizaron los siguientes materiales de aporte, M2, S7, Weartech 6, Stellite 12, Stellite 6, las características químicas se muestran en la tabla anterior. El polvo comercial de gas atomizado FeCr-Mo proveído por la empresa (Sulzer Metco Inc.,) fue usado para su estudio. La composición química y el tamaño de la partícula es mostrado en la tabla 4.3.

Especificación C M2 S7 Weart ech 6 Stellite 12 Stellite 6

% en peso

Co Cr 0,78 - --1,05 0,45 - --0,55 1,10 Bal. 1,40 - Bal. 1,85 0,35 ---

Fe Mo 3,75 - Bal. 4,50 3,00 - Bal. 3,50 28,00 3,00 Max. 29,50 2,50 5,00

---

Ni Si V W 4,50 - 0,3 0,20 - 1,75 – 5,50 – 5,50 Max. 0,45 2,20 6,75 1,30 - --0,20 - 0,20 – --1,80 1,00 0,30 --3,00 1,10 --4,00 Max. --3,00 1,50 --8,50 Max. 1,50 --1,00 0,30 1,30

Tabla 3: Composición química de los materiales de aporte utilizados en la reparación por el método de GTAW.

Polvo Fe-CrMo

Cu

Cr

Composición (% en peso)

Tamaño de la partícula (μm) nominal

Mo

B

Mn

Si

Fe

-45 +/5,5 μm

Tabla 4: Especificación del polvo utilizado para la aplicación mediante Proyección térmica de alta velocidad. El análisis metalográfico de acuerdo a la ASTM E-3, E-407 revelo una microestructura compuesta por una matriz de Martensita revenida con carburos de Cromo y Molidbeno M23C6 dispersos en la matriz.

Figura 2: Carburos primarios dispersos en una matriz de martensita revenida. atacada con Picral + HCl 3% 500X. Ensayo de dureza de acuerdo ASTM E-384/99 se realizó en el metal base los resultados obtenidos se muestran en la tabla 5.

Muestra

Hv500

Metal 696 686 684 base Especificación acero grado herramienta

Promedio (H v500) 694

688

670

Equivalencia (HRC) 686

59

58-64 HRC

Tabla 5: Dureza del metal base y su equivalencia de acuerdo a la especificación para un acero grado herramienta para trabajado en frío. Una vez aplicada la soldadura por el proceso convencional GTAW con los parámetros, se procedió a caracterizar las muestras (microscopia óptica, dureza, químico, desgaste), encontrándose lo siguiente El análisis metalográfico de acuerdo a la norma ASTM E-3, E-407 revelo una microestructura compuesta por una matriz de Martensita revenida con carburos de Cromo y Molibdeno M23C6 y M7C6 dispersos en la matriz del material base, con crecimiento de grano en la dirección en la zona afectada por el calor y una matriz de granos columnares de solidificación, con precipitación interdendritica de carburos primarios en la zona de soldadura.

2. ANÁLISIS METALOGRÁFICO EN SOLDADURAS ASTM E-3/07, E407/05 METAL BASE El análisis revela una microestructura compuesta por carburos primarios M23C6 dispersos en una matriz de Martensita revenida. Ver fotografía 4.2.

Figura 3: Carburos primarios M23C6 en matriz de Martensita revenida. 200X. Picral

3. ENSAYO DE MICRODUREZA ASTM E384/08 Se realizó un total de cuatro identaciones a la muestra, utilizando un identador piramidal de diamante con un ángulo de 136°, con una carga de 500 grf, obteniéndose los siguientes resultados mostrados

en la tabla 6 se puede apreciar que el material base posee un promedio de dureza de alrededor de 60 HRC lo cual es congruente con su microestructura y proceso de fabricación, la muestra que presenta una mayor dureza en la región de soldadura es el espécimen con el aporte de Stellite 12, el cual de acuerdo a la química mostrada en la tabla 4.2 tiende a formar carburos dispersos en la matriz, como lo son: las carburos de cromo M23C6 y M6C7 los cuales son termodinámicamente estables, lo cual se observo en las figuras representativas de soldadura, es más evidente correspondiente a la muestra de Stellite 12 también se pueden observar carburos secundarios dispersos en la matriz. La muestra Wear tech 6 fue la que presento una menor dureza en la región de soldadura aun que en la figura anterior se evidencia la presencia de carburos de cromo, la matriz presenta una martesita fina, a diferencia del resto de los especímenes el tamaño de las agujas es menor que el resto del rango explorado.

Tabla 6: Ensayos de dureza realizados a las muestras Zona recubiertas bajo la técnica de GTAW Identificación Metal base ZAC M2 Soldadura Metal base ZAC S7 Soldadura Metal base ZAC Weartech 6 Soldadura Metal base ZAC Stellite6 Soldadura Metal base ZAC Stellite 12 Soldadura Metal base ZAC Oxi-Gas Soldadura

PromedioHv5 Equivalencia 00 HRC Hv500

664 592 403 733 481 560 721 388 405 715 435 403 625 394 596 422 398 409

763 628 410 799 426 523 661 454 385 650 355 388 673 352 597 456 386 423

761 535 427 756 398 497 750 485 428 718 378 408 723 421 556 437 381 419

767 594 394 719 390 540 713 461 397 657 404 400 729 340 606 468 392 413

738 587 408 751 423 530 711 447 403 685 393 399 687 376 588 445 389 416

62 54 42 63 43 52 61 46 42 59 40 42 59 39 54 44 40 40

Tabla 6: Ensayos de dureza realizados a las muestras recubiertas bajo la técnica de GTAW

4. ENSAYO DE RESISTENCIA AL DESGASTE ASTM G40-92 Se realiza utilizando un equipo T-07 Maquina de desgaste abrasivo, dicho ensayo es llevado a cabo bajo la norma La Norma ASTM G40-92 la cual mide la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas que son forzadas contra una superficie. En la tabla 4.6 se muestra la perdida en peso de las probetas realizadas, en la figura 4.20 se observa el grafico comparativo entre los materiales de aporte utilizados sobre las muestras de acero grado herramienta para trabajado en 92 frio.se puede apreciar que la muestra Stellite 12 tiene una menor perdida en peso lo cual se atribuye a la formación de carburos dispersos en la matriz, principalmente a la formación de carburos primarios M23C6 y

carburos secundarios M6C7. En la tabla se observa la perdida en peso final una vez efectuado el ensayo de resistencia al desgaste, corresponde a la representación en porcentaje de resistencia al desgaste de los materiales de aporte usados para la reparación bajo la técnica de GTAW.

Tabla 7: Pérdida en peso inicial de las muestras de acero grado herramienta para trabajado en frío.

Figura 4: Pérdida en peso de las materiales sometidos al ensayo de desgaste.

5. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO (MEB) Posteriormente se procedió a caracterizar una matriz de conformado con una pérdida de espesor del material, el cual fue preparado para su aplicación por la técnica de proyección térmica de alta velocidad. Corresponde a un mapeo del corte transversal a la zona de falla en la que se evidencia claramente la pérdida del espesor de diámetro por la disolución del material. La cual posteriormente se someterá a una reparación mediante la técnica de HVOF. Mediante un acercamiento en la zona del recuadro amarillo se logra evidenciar una gran cantidad de productos de corrosión alrededor de todo el contorno de la picadura. La utilización de sustratos como el acero grado herramienta para trabajado en frio, han sido reparadas usando también un polvo de composición química semejante al acero correspondiente (Fe-Cr-Mo). Su características químicas fueron mostradas.

Figura 5. Aspecto superficial de la muestra antes de ser recubierta mediante la técnica de HVOF.

6. ENSAYO DE ADHERENCIA ASTM C 297/04 Y ASTM D 4541/02 Una vez caracterizadas todas las muestras se procedió a realizar la prueba de adherencia bajo la norma ASTM C 297/C 297M – 04 y bajo la norma ASTM D 4541 – 02. El área de selección para las pruebas de adherencia se seleccionó de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM D-4541/02 a temperatura controlada de 25°C +/-. 5°C. El área de prueba seleccionada fue una superficie plana lo suficientemente grande para la sujeción del adhesivo con el material depositado. Una vez limpiadas las superficies de una manera que no afecten la integridad del revestimiento y sin dejar residuos se procede a colocar la resina en toda la superficie a analizar que en este caso fue la probeta cuadrada de 2.54cm. Una vez aplicada la resina se deja un tiempo de curado de 1 hora como lo establece la norma ASTM C297/04, a una presión constante mediante la ayuda de mordazas las cuales funcionan como sujeción mecánica para asegurar que no exista contacto entre el aire y la resina en la zona de ensayo, permitiendo así que el ensayo se lleve a cabo de manera correcta. Cabe señalar que las mediciones cerca de un borde pueden no ser representativas de la capa en su conjunto. (Gilabert, 2015)

Identificación

Lado 1 mm

Lado 2 mm

Área Nominal mm2

Carga Máxima kgf

MUESTRA 1 MUESTRA 2 MUESTRA 3 MUESTRA 4 MUESTRA 5 MUESTRA 6 MUESTRA 7 MUESTRA 8 MUESTRA 9

25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40

25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40 25.40

645.16 645.16 645.16 645.16 645.16 645.16 645.16 645.16 645.16

948 740 475 612 521 264 532 202 54.7

Tabla 8: Resultados del ensayo de adherencia realizado sobre las 9 muestras recubiertas bajo la técnica de HVOF.

Figura 6: Ensayo de adherencia de la muestra 1 (200mm de distancia con una relación combustible oxígeno de 0,30)

CAPITULO III METODOLOGÍA DE APLICACIÓN Clasificación de los procesos de rociado térmico: La AWS (American Welding Society) clasifica a los procesos de rociado térmico en dos grupos básicos, según el método de generación del calor en los Grupos I y II. Los del grupo I emplean gases combustibles, en tanto que los del grupo II se valen de la energía eléctrica.

Tabla 9: Grupos básicos del rociado térmico Rociado térmico subsónico con llama. En el proceso de rociado térmico subsónico con llama el material objeto de rociado, es mezclado con los gases de la llama y se funde o semi-funde. Este material puede entrar en forma de alambre, varilla

o polvo, finalmente es impactado en forma de partículas por los mismos gases de la llama contra la superficie de la pieza o sustrato, ver figura 30.

Figura 7: Esquema de una pistola de rociado térmico subsónico con flama. Es posible rociar con la flama una amplia variedad de materiales en estas formas. Los materiales se depositan en múltiples capas, cada una de las cuales puede tener un espesor tan pequeño como 0.0005 pulg. por pasada ( 0.0127 mm ). El espesor total del material depositado dependerá de varios factores, incluidos los siguientes: (1)

Tipo y propiedades del material de recubrimiento.

(2)

Condición del material de la pieza de trabajo, incluyendo la geometría.

(3)

Requisitos de servicio del producto recubierto.

(4)

Tratamiento posterior del producto recubierto

Rociado térmico hipersónico con flama. Existen dos tipos de equipos de aspersión hipersónicas, de detonación y de combustión continua. Rociado por detonación. El rociado por detonación se efectúa con una pistola de diseño especial como la que se muestra en la figura 31. La cual es diferente de los demás dispositivos de rociado por combustión. Aprovecha la energía de explosiones de mezclas de oxígeno y acetileno, para lanzar partículas pulverizadas hacia la superficie del sustrato con energía cinética mayor que las lanzadas con el equipo de flama estable. El depósito resultante es extremadamente duro y denso, y se adhiere fuertemente.

Figura 8: Esquema de una pistola de detonación.

La pistola de detonación, que se muestra en forma esquemática en la figura 1. 2, consiste en un cañón largo en el que se introduce una mezcla de oxígeno, gas combustible y material de recubrimiento en polvo suspendido en nitrógeno. La mezcla de oxígeno-acetileno se enciende mediante una chispa eléctrica varias veces por segundo, creando una serie de ondas de detonación controladas (frentes de flama) que aceleran y calientan las partículas de polvo conforme avanzan a lo largo del cañón. Al salir las partículas, alcanzan velocidades aproximadamente de 760 m/s (2500 pies/s). Después de cada expulsión de polvo, la unidad se purga con nitrógeno antes de detonaciones sucesivas. Las detonaciones, a razón de varias por segundo, engrosan el recubrimiento hasta el espesor deseado. Con la pistola de detonación se alcanzan temperaturas de más de 3315°C (6000 °F), mientras que un sistema de refrigeración de dióxido de carbono mantiene la temperatura del sustrato por debajo de 150°C (300 °F). El espesor del recubrimiento varía entre 50 y 500 um (0.002 y 0.02 pulg), este proceso produce un nivel de ruido que rebasa los 150 decibeles, por lo que se instala en un recinto aislado acústicamente. La operación de recubrimiento en si es totalmente automática y de control remoto. La elevada velocidad de incidencia de las partículas produce una elevada adhesión con el sustrato, y pueden obtenerse acabados excelentes. La porosidad del recubrimiento es baja . Rociado de combustión continua. El equipo para el proceso de rociado combustión continua es similar al de rociado subsónico con flama, en cuanto a que un gas combustible como el propileno se quema con oxígeno para suministrar calor. El polvo que se va a rociar se suspende en un gas portador (nitrógeno) y se inyecta axialmente en la pistola .La boquilla de la pistola hipersónica restringe el flujo del gas y produce velocidades de salida de hasta 900 m/s (3000 pies/s). Los depósitos rociados con llama que produce la pistola hipersónica, son similares a los que se obtienen con el rociado por detonación. Gracias a lo elevado de las velocidades de incidencia, las partículas rociadas se adhieren muy fuertemente al sustrato. Rociado térmico con arco eléctrico. El proceso de rociado con arco hace uso de un arco entre dos alambres (material de aspersión) que se mantienen aislados uno del otro y avanzan automáticamente para encontrarse en cierto punto dentro de un chorro de gas atomizado. Una diferencia de potencial de 18 a 40 volts aplicada entre los alambres inicia un arco en el punto donde convergen, fundiéndose las puntas de ambos alambres. Un gas atomizador, por lo regular aire comprimido, se dirige a la zona del arco, donde cizalla gotícas fundidas que forman un rocío atomizado. La velocidad del gas por la boquilla atomizadora puede regularse dentro del intervalo de 4.0 a 5.5 m/s (800 a 1100 pies/min.), para controlar las características del depósito. Las partículas de metal fundido o semi-fundido son expulsadas del arco a razón de varios miles de partículas por segundo. En comparación con el rociado de alambre con flama, la cantidad de óxidos metálicos se controla mejor y las velocidades de aspersión son más altas en el rociado de alambre con arco. Por esta razón, el rociado con arco a menudo resulta más económico. La temperatura del arco excede el punto de fusión del material de aspersión. Durante el ciclo de fusión, el material se sobrecalienta hasta el punto en que puede haber cierta volatilización, sobre todo en el caso del aluminio y el cinc.

La elevada temperatura de las partículas produce interacciones metalúrgicas o zonas de difusión, o ambas cosas, después del impacto con el sustrato. Estas reacciones localizadas forman diminutos puntos de soldadura con buena resistencia cohesiva y adhesiva. Así, los recubrimientos adquieren una fortaleza de adhesión excelente.

Figura 9: Esquema de una pistola de rociado térmico de arco con alambre. Normalmente se usan fuentes de potencia continua y potencial constante para el rociado de arco con alambre, un alambre es positivo (ánodo) y el otro es negativo (cátodo). La punta del alambre del cátodo alcanza una temperatura mayor que la del ánodo, y se funde con mayor rapidez; en consecuencia, las partículas atomizadas del cátodo son mucho más pequeñas que las del alambre del ánodo cuando los dos alambres tienen el mismo diámetro. Después de aplicarse la primera capa en toda la superficie, el rociado subsecuente se efectúa con presión de gas estándar, el voltaje de arco más bajo produce un arco estable, y la distancia pistolatrabajo normal. Estas condiciones aseguran que: 1.

El tamaño de las partículas rociadas será pequeño.

2.

Habrá un mínimo de pérdidas de constituyentes de la aleación.

3.

El patrón de rociado será concentrado.

4.

La tasa de fusión será alta.

Rociado térmico con arco de plasma. El término “arco de plasma” se emplea para describir una familia de procesos de trabajo de metales utilizados para rociar, soldar y recubrir por fusión y cortar. Todos hacen uso de un arco constreñido para producir una concentración elevada de energía térmica. La construcción del arco se logra haciendo que el arco eléctrico pase por un orificio. Durante el calentamiento, el gas acompañante se ioniza parcialmente, produciendo un plasma. En el rociado con plasma, un arco no transferido se estabiliza entre un electrodo y una boquilla constrictora.. El sustrato no forma parte del circuito eléctrico.

Figura 10: Esquema de una pistola para rociado térmico con arco de plasma.

Los componentes de turbinas y motores a reacción se exponen a condiciones de servicio extremas. Los materiales de ingeniería existentes no resisten estas condiciones sin un recubrimiento protector rociado térmicamente. En muchos casos, el recubrimiento rociado consiste en óxidos y carburos cerámicos. El proceso de rociado con plasma se desarrolló para satisfacer estas necesidades. A su vez, este proceso estimuló el desarrollo de una nueva familia de materiales y técnicas de aplicación para una gama mucho más amplia de aplicaciones industriales. El rociado con plasma complementa los procesos más antiguos de rociado con flama y con arco. En el proceso de rociado con plasma, un gas o una mezcla de gases se hace pasar por un arco eléctrico entre un cátodo de aleación de tungsteno alineado coaxialmente y un orificio dentro de un ánodo de cobre. El gas que pasa por el orificio se ioniza. Un sistema de rociado con plasma consiste en una pistola de plasma, una fuente de potencia, un sistema de alimentación de polvos y los dispositivos de fijación y recorrido asociados. El sistema completo, que incluye la unidad de aspersión, puede operarse desde una consola de control. La consola permite ajustar la tasa de flujo de gas de plasma y la corriente de plasma incluye funciones de arranque y detención y, algunos casos, opera la unidad de alimentación de polvos. Todos los sistemas de rociado con plasma realizan estas funciones. Los cuatro gases de uso común para el rociado con plasma, y sus características importantes, son los siguientes: 1. El nitrógeno se utiliza mucho porque es económico, diatómico y permite alcanzar tasas de rociado y eficiencias de deposición elevadas. 2. El argón produce plasma de alta velocidad, se emplea para rociar materiales que sufrirían efectos adversos si se usara hidrógeno o nitrógeno. Los carburos y las aleaciones de alta temperatura comúnmente se rocían con argón, sobre todo en aplicaciones de aeronaves.

3. Puede usarse hidrógeno como gas secundario en proporciones del 5 al 25 %, con nitrógeno o argón. 4. El helio normalmente se usa como gas secundario mezclado con argón, sobre todo cuando el sustrato es titanio. También tiende a elevar el voltaje del arco. Naturaleza de los recubrimientos rociados térmicamente. El éxito en el empleo de recubrimientos rociados térmicamente depende de que se sigan cuidadosamente los procedimientos específicos del proceso. Esta es una regla fundamental del rociado térmico, y cualquier desviación respecto a las normas de una aplicación en particular producirá resultados no confiables. Los sistemas de recubrimientos rociados térmicamente tienen cuatro componentes básicos y se puede ver en forma esquemática en la figura 40.

Figura 11: Sección transversal de un recubrimiento típico que ilustra la estructura laminar de los óxidos y las inclusiones. Adherencia del recubrimiento. La unión entre el recubrimiento y el sustrato se conoce como adhesión ó adherencia y puede ser mecánica o metalúrgica. En la adherencia influye una combinación de factores como: 

Material del recubrimiento.



Tamaño de las partículas rociadas.



Condición y geometría del sustrato.



Grado de aspereza del sustrato.



Limpieza de la superficie del sustrato.



Temperatura de la superficie antes, durante y después del rociado.



Velocidad de impacto de las partículas.



Tipo de material del sustrato.



Angulo de rociado.

La resistencia a la adherencia como se menciona, depende de muchos factores y uno de estos factores es el grado de aspereza o rugosidad del sustrato Los metales y aleaciones depositadas con el proceso de rociado térmico no conservan su estructura y su relación química original si no se utilizan técnicas especiales. Sus propiedades pueden cambiar de manera significativa dependiendo del método de aspersión empleado. Las propiedades físicas y mecánicas de los depósitos rociados normalmente son muy distintas de las de los materiales originales. La estructura del depósito es laminar y heterogénea; su cohesión es generalmente el resultado de agarres mecánicos, algo de fusión punto a punto, en ocasiones enlaces oxido-oxido. La resistencia a la tensión de estas estructuras es baja comparada con la de los mismos materiales en forma forjada o colada. Los recubrimientos metálicos tienden a ser porosos y quebradizos, y difieren en cuanto a su dureza respecto al material consumible original. Las estructuras de los recubrimientos recién rociados serán similares en su naturaleza laminar, pero presentaran características variables, dependiendo del proceso de aspersión empleado, de los parámetros del proceso, de las técnicas empleadas y de la naturaleza del material de aspersión aplicado. La densidad del recubrimiento variará con la velocidad de las partículas, la temperatura de la fuente de calor del proceso de aspersión y de la cantidad de gas utilizada. La densidad también cambia con el tipo de polvo, su tamaño de grano, la tasa de aspersión, la distancia entre la pistola y el sustrato y el método de inyección.

CAPITULO IV EJEMPLO DE APLICACIÓN MAQUINARIA AGRICOLA La causa de la sustitución del 85% de los elementos de la maquinaria agrícola es considerada como resultado del desgaste abrasivo, como mecanismo principal del desgaste. La modificación de las capas superficiales de los cuerpos producto de la acción de partículas de alta dureza, al deslizarse sobre la superficie metálica, da lugar a la pérdida volumétrica y con ello, a la disminución de la capacidad de uso del implemento u órgano de trabajo. Considerando un grupo de factores como la forma y dimensiones de las partículas abrasivas, la relación de dureza respecto a la herramienta, la resistencia mecánica y las condiciones del medio y de trabajo, así como la carga aplicada, el desgaste abrasivo se puede manifestar a partir de diferentes mecanismos. A.- Mecanismo de microcorte B.- Mecanismo de deformación plástica En dependencia del grado de libertad del grano abrasivo se distinguen dos tipos fundamentales de desgaste: 1. Desgaste contacto-abrasivo: Producido por las asperezas o microirregularidades superficiales al penetrar y deslizarse sobre el otro cuerpo, conocidos también como desgaste por partículas fijas.

Producto de la carga normal y en dependencia de las propiedades mecánicas de los cuerpos sólidos en contacto, se produce la penetración de las asperezas del cuerpo más duro o resistente en las capas superficiales del cuerpo menos duro o resistente. Al producirse el movimiento relativo, y debido a que las tensiones producto de la carga normal sobrepasan el límite de resistencia del material menos resistente, se produce el microcorte de la superficie. La magnitud del desgaste contacto-abrasivo depende de la rugosidad superficial del cuerpo duro y de las propiedades mecánicas del cuerpo blando. 2. Desgaste contaminante-abrasivo: Producido por la acción de partículas libres, proveniente de diferentes medios las cuales deforman plásticamente y/o cortan las capas superficiales.

Dentro de los factores que influyen en el desgaste abrasivo de las máquinas agrícolas en países tropicales, se establecen los siguientes: 1. Contacto con el suelo: El suelo puede concebirse como un sistema de tres fases: fase sólida (materia mineral y orgánica), fase líquida (agua o solución del suelo) y fase gaseosa (aire del suelo). Existen, sin embargo, otros constituyentes presentes en todos los suelos: la materia mineral, 45%; la materia orgánica, 5%; el aire, 25% y el agua, 25%. Por los minerales constituir el 45% de los constituyentes del suelo reviste vital importancia su estudio. Dentro de las propiedades físicomecánicas de los mismos encontramos la dureza y tenacidad, aspectos estos que influyen considerablemente en la intensidad del desgaste de los elementos de máquinas que están en contacto con ellos. 2. Condiciones climáticas: Las precipitaciones atmosféricas son relativamente abundantes y regulares con promedio anual de 1 360 mm. La Humedad relativa es alta con valor promedio de noviembre - abril del 77% (época seca), mayo - octubre del 81% (época húmeda), para una media anual de 79 %. La temperatura oscila entre 10 o C y 35 o C dando una media anual de 24 o C, en invierno de 21 o C y en verano de 27 o C. 3. Contacto con las plantas y frutos: Diversas son las plantas y los frutos que están en contacto directo con los órganos de trabajo de las máquinas agrícolas, este amplio grupo poseen características físicas y composiciones químicas muy perjudiciales en relación con el deterioro progresivo del material. (Álvarez, 2000)

En este sentido, los principales elementos de trabajo que en las máquinas agrícolas sufren desgaste abrasivo, producidos por los factores antes mencionados son: 1. Arados las vertederas en la cuchilla rotatoria, la anterreja, la costanera, la reja y los discos. 2. Los cultivadores en los escardillos, púas y rejas. 3. Las surcadoras en el machete. 4. Las gradas en las púas y los discos.

5. Los escarificadores en las rejas y el cincel. 6. Las fresas en las cuchillas, ganchos, rodillos, discos y anillos. 7. El multiarado en las rejas y cuchillas. 8. Las multilabradoras en las rejas, cuchillas y surcadores. 9. Las cosechadoras de cereales en los segmentos de corte, los dedos del molinete, el cóncavo, las cribas de limpieza y el transportador sinfín. 10. Las cosechadoras de caña en los segmentos de corte inferior, los transportadores, el aparato trozador y el patín. Se muestran algunos ejemplos de órganos de trabajo que han sido objeto del desgaste por abrasión del suelo, y que por determinadas razones aún se mantienen en explotación a pesar de su elevado nivel de deterioro.

Figura 12: Órganos de trabajo de máquinas agrícolas desgastados por abrasión. Las medidas fundamentales que se toman durante la explotación de las máquinas agrícolas para disminuir la incidencia del desgaste abrasivo son las siguientes: 1. Aumento de la dureza de las capas superficiales de los elementos de máquinas. 2. Incremento del contenido de carbono y de carburos duros hasta un por ciento determinado en dependencia del material. 3. Control de la relación de dureza metal-abrasivo (Hm/Ha). 4. Selección adecuada del ángulo de ataque del implemento en dependencia de los materiales utilizados. 5. Disminución de las cargas y velocidades de trabajo. Para contrarrestar el efecto del desgaste abrasivo se ha trabajado en dos direcciones principales: A.- Búsqueda y experimentación de nuevos materiales. B.- La aplicación y desarrollo de nuevas tecnologías. Dentro de las tecnologías que se han valorado en los últimos años para contrarrestar el desgaste abrasivo en las máquinas agrícolas se destacan: Temple isotérmico, tratamientos termo mecánicos, deposición electrolítica, deposición por fusión de aleaciones duras para formar elementos bimetálicos, tratamientos termoquímicos, temple superficial, tratamiento superficial por luz solar concentrada, entre otros.

Las investigaciones dirigidas a la reducción del daño provocado por el desgaste en los implementos de labranza, han estado divididas en dos direcciones fundamentales. La primera se encamina a la construcción de los implementos de labranza a partir de una selección de aceros y tratamientos térmicos adecuados, la cual sugiere utilizar aceros como el Y8A y el 60C2A o similares para la construcción de discos de gradas, escarificadores y otros elementos. Este trabajo toma como medio para la determinación de la resistencia al desgaste abrasivo el suelo pardo tropical, el cual, a pesar de ser el más representativo, no es el más abrasivo, y propone materiales relativamente caros. La segunda dirección a la cual han estado dirigidos los trabajos investigativos ha sido el relleno con soldadura por arco eléctrico de las partes más sometidas al contacto con el suelo de los implementos. A escala mundial, se ha estudiado la fabricación de nuevas aleaciones con propiedades antifricción y resistentes al desgaste a partir de obtener en la estructura un mayor número de carburos. El ensayo de estas nuevas aleaciones, ha logrado incrementar de manera eficaz la vida útil de los implementos de labranza. (Cruz, 2014)

Figura 13: Desgaste de los órganos de trabajo de los aperos de labranza. En muchas ocasiones, para resolver los problemas de carencia de este tipo de implemento, se ha recurrido al uso de materiales reciclados para la fabricación local de las rejas, figura 3, sin embargo, este proceso se hace de manera rudimentaria, sin el equipamiento adecuado, incumpliendo las normas o exigencias de acabado superficial y calidad, etc, lo que ha propiciado que no se respete la geometría original de estos.

Figura 14: Soluciones constructivas locales. Todos estos aspectos redundan en el mayor desgaste de los órganos de trabajo, aumento del consumo energético y disminución de la calidad de la labor.

CAPITULO V CONCLUSIONES    

La recuperación por soldadura genera un valor agregado en los profesionales a cargo de las áreas de mantenimiento. Se señaló las aplicaciones de la recuperación por soldadura. Se conoció el proceso de soldadura más apropiado para cada caso de recuperación por soldadura. Se reconoció procesos adecuados de ENDs.

BIBLIOGRAFÍA Álvarez, E. (2000). Marta Abreu. Las Villas. Cruz, A. (2014). Monografias. Obtenido de https://www.monografias.com/trabajos93/fundamentos-recuperacion-soldadura-aperoslabranza/fundamentos-recuperacion-soldadura-aperos-labranza.shtml Gilabert, J. (2015). Caracterización mecánica y tribológica de recubrimientos diamond-like carbon aplicados por la técnica deposición química de vapor sobre baldosas cerámicas. Martínez, D. (2012). RECUPERACIÓN DE PIEZAS POR SOLDADURA Y OTROS MÉTODOS. Nicaragua. Núñez, I. M. (2007). Recubrimientos duros: alternativa de recuperación en piezas afectadas por el desgaste. colombia: universidad autonoma del caribe.

LISTADO DE FIGURAS Figura 1: Composición química de los principales aceros de herramienta. Figura 2: Carburos primarios dispersos en una matriz de martensita revenida. atacada con Picral + HCl 3% 500X. Figura 3: Carburos primarios M23C6 en matriz de Martensita revenida. 200X. Picral Figura 4: Pérdida en peso de las materiales sometidos al ensayo de desgaste. Figura 5. Aspecto superficial de la muestra antes de ser recubierta mediante la técnica de HVOF. Figura 6: Ensayo de adherencia de la muestra 1 (200mm de distancia con una relación combustible oxígeno de 0,30) Figura 7: Esquema de una pistola de rociado térmico subsónico con flama. Figura 8: Esquema de una pistola de detonación. Figura 9: Esquema de una pistola de rociado térmico de arco con alambre. Figura 10: Esquema de una pistola para rociado térmico con arco de plasma. Figura 11: Sección transversal de un recubrimiento típico que ilustra la estructura laminar de los óxidos y las inclusiones. Figura 12: Órganos de trabajo de máquinas agrícolas desgastados por abrasión. Figura 13: Desgaste de los órganos de trabajo de los aperos de labranza. Figura 14: Soluciones constructivas locales.

LISTADO DE TABLAS Figura 1: Composición química de los principales aceros de herramienta. Figura 2: Carburos primarios dispersos en una matriz de martensita revenida. atacada con Picral + HCl 3% 500X. Figura 3: Carburos primarios M23C6 en matriz de Martensita revenida. 200X. Picral Figura 4: Pérdida en peso de las materiales sometidos al ensayo de desgaste. Figura 5. Aspecto superficial de la muestra antes de ser recubierta mediante la técnica de HVOF. Figura 6: Ensayo de adherencia de la muestra 1 (200mm de distancia con una relación combustible oxígeno de 0,30) Figura 7: Esquema de una pistola de rociado térmico subsónico con flama. Figura 8: Esquema de una pistola de detonación. Figura 9: Esquema de una pistola de rociado térmico de arco con alambre.