Oreja de Zapata Pala

INFORME TÉCNICO Número Total de Páginas: 10

SOLICITADO POR: REALIZADO POR :

Dr. Francisco Rumiche.

MUESTRA

:

Oreja de zapata de oruga de excavadora de mina.

FECHA

:

1. ANTECEDENTES Se suministró al Laboratorio de Materiales PUCP una oreja de zapata de oruga fracturada (unida a un cojinete) perteneciente a una pala excavadora de mina Bucyrus (ver Figura 1), para realizar un análisis de falla del componente.

Cojinete

Oreja

Figura 1. Oreja de zapata fracturada. A partir de un cuestionario enviado a la empresa solicitante, ésta proporcionó la siguiente información en relación al componente fracturado: a) Descripción de la muestra: La muestra enviada corresponde a una oreja de zapata de oruga perteneciente a una pala excavadora de mina.

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b) Causa o motivo del servicio solicitado: El motivo por el cual se solicita el servicio es por la fractura de la oreja. c) Equipo al que pertenece: Pala d) Tiempo aproximado de servicio del componente: 57 horas. e) Condiciones de operación: El equipo al que pertenece el componente opera en movimiento de mineral en mina de cobre. f) La muestra ha sufrido algún tipo de reparación previa a la falla?: La muestra no ha sufrido ninguna reparación previa a la falla. g) Situación en que se produjo la falla y descripción de la misma: La oreja se fracturó y fue arrancada de la zapata en condiciones normales de trabajo. h) Datos disponibles sobre el material de la muestra: El material corresponde a un acero fundido según especificación (templado y revenido: 375-444 HB) i) Información adicional relacionada con la muestra: Se proporcionaron los planos de fabricación de la zapata. 2. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS Para realizar el análisis de falla al componente suministrado se emplearon los siguientes ensayos: a) b) c) d)

Macrofractografía e inspección visual Análisis químico del material Análisis metalográfico Ensayos de dureza

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. MACROFRACTOGRAFÍA E INSPECCIÓN VISUAL: El análisis fractográfico contempló la separación del cojinete de la oreja, limpieza de las superficies de fractura, preparación y macroataque de la superficie en contacto con el cojinete, e inspección visual a ojo desnudo. La Figura 2 muestra vistas de la superficie de fractura de la oreja y detalles de la misma. Se observa un patrón de fractura frágil con marcas radiales indicando el punto de inicio de la fractura. La fractura se origina en la parte interna de la oreja (superficie en contacto con el cojinete) a partir de unas porosidades. Asimismo se observa una superficie lisa de apariencia alargada en la superficie de fractura. Se pueden apreciar también discontinuidades (fisuras) en la superficie interna de la oreja en contacto con el cojinete. La Figura 3 muestra una macrografía de la superficie en contacto con el cojinete. Se puede apreciar claramente que una parte de la superficie ha sido sometida a un proceso de recargue por soldadura (ver marcas de cordones), ya sea para una reconstrucción o reparación del componente. Asimismo, se puede advertir que las discontinuidades tipo fisura se ubican en el límite entre la zona sometida a recargue y la zona no sometida a recargue. 2 de 10

Figura 2. Superficie de fractura de la oreja.

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Figura 3. Macrografía de la superficie de contacto con el cojinete. Se puede apreciar también que tanto el inicio de la fractura como la superficie lisa alargada se encuentran en la zona sometida a recargue. La Figura 4 muestra macrografías de dos secciones de la oreja obtenidas del punto de inicio de la fractura (sección A-A) y de la superficie lisa alargada (sección B-B).

Porosidad

Figura 4. Macrografías de secciones de la oreja fracturada. 4 de 10

En la macrografía correspondiente a la sección A-A se puede observar que la fractura se inicia a partir de porosidades en el recargue. En el caso de la micrografía de la sección B-B, no se observa el recargue; sin embargo la forma de la superficie lisa sugiere que esta zona corresponde a un cordón de soldadura que podría haber presentado una falta de fusión y podría haberse desprendido totalmente durante la fractura del componente. La presencia de porosidades, así como de discontinuidades tipo fisura indica que las operaciones de recargue y posterior rectificado no se han realizado adecuadamente. Las porosidades han actuado como concentradores geométricos de tensiones, a partir de los cuales se ha generado una fisura que se ha propagado de manera frágil generando la fractura total de la oreja. 3.2. ANÁLISIS QUÍMICO DEL MATERIAL El análisis químico del material de la oreja se realizó mediante espectrometría de emisión atómica en una muestra de material alejado de la zona de fractura. La composición química obtenida para el material (ver Tabla 1) corresponde a la de un acero de bajo carbono y de baja aleación al Ni-Cr-Mo [1]. Este material cumple con los requerimientos de la especificación Bucyrus A002269 (C=0.30 máx., P=0.025 máx., S=0.020 máx., Al=0.06 máx. y Mn, Si y elementos de aleación según se requiera) [2]. Tabla 1. Composición química del material de la oreja. Elemento C Mn P S Si Ni Cr Mo Cu

% (Oreja) 0.29 0.88 0.012 0.014 0.52 1.94 1.07 0.46 0.14

3.3. ANÁLISIS METALOGRÁFICO Se realizó un análisis metalográfico según las normas ASTM E3-11 [3] y ASTM E407-07 [4] para la evaluación de la microestructura del material de la oreja tanto en el punto de inicio de la fractura como en una zona alejada de ella. Las muestras fueron montadas en resina epóxica y sometidas a un proceso de desbaste empleando papel abrasivo de carburo de silicio de varias granulometrías (hasta 1200) y un pulido con pasta de diamante (6, 3 y 1µm) y alúmina en suspensión (0.03 µm). La microestructura fue revelada luego de un ataque químico con una solución de Nital al 2%. Las muestras fueron observadas en un microscopio óptico Leica modelo DMI 5 de 10

5000M equipado con una cámara digital Leica DFC 320. Las imágenes fueron adquiridas a distintas magnificaciones (50x-500x). 3.3.1. Análisis de la muestra alejada de la zona de fractura La Figura 5 muestra la microestructura del material de la oreja en una muestra alejada de la zona de fractura. Se puede observar que la microestructura está constituida primariamente por martensita revenida. Esta microestructura es típica de un acero de baja aleación al Ni-Cr-Mo sometido a un tratamiento térmico de templado y revenido [5].

Figura 5. Microestructura del material de la oreja de zapata (X). 3.3.2 Análisis de la muestra correspondiente al inicio de la fractura La muestra analizada corresponde a la sección A-A en el punto de origen de la fractura; la muestra contiene parte de la porosidad, parte del recargue, y parte del material base. La Figura 6 presenta la muestra (ver inserto) y micrografías correspondientes a cada uno de los puntos de la muestra analizados. El punto “a” corresponde a la porosidad en el recargue. Los puntos “b”, “c”, y “d” corresponden a la superficie de fractura. En estos puntos se pueden observar fisuras que se propagan hacia el interior del material. Particularmente, en el punto “d” se pueden observar que la fisura que se propaga por el límite de grano y a través de inclusiones no metálicas en la microestructura. El punto “e” corresponde al recargue, cuya microestructura está constituida por carburos en una matriz ferrítica. Finalmente, el punto “f” corresponde al metal base de la oreja, cuya microestructura está constituida por martensita revenida. 6 de 10

Sección A-A

Figura 6. Micrografías de la muestra del inicio de la fractura. 3.4. ENSAYOS DE DUREZA Las medidas de dureza fueron tomadas en la sección A-A según se muestra en la Figura 7. Se tomaron medidas en 4 puntos en el material de la oreja empleando un durómetro Brinell BRIN 200 M Foundrax con una billa de 10 mm de diámetro y una carga de 3000 kg de acuerdo al estándar ASTM E10-10 [6]. Asimismo, se realizó un barrido de dureza Vickers en la región del inicio de la fractura (recargue + material de la oreja) empleando una carga de 3 Kg de acuerdo al estándar ASTM E38410e2 [7]. 7 de 10

Figura 7. Sección A-A y puntos de medición de dureza. La Tabla 2 muestra los valores de dureza Brinell en los 4 puntos en el material de la oreja. Cada uno de estos valores excede el valor máximo permisible según la especificación Bucyrus A002269 (dureza requerida luego del templado y revenido: 375-444 HB) [2]. La Tabla 3 muestra los valores de dureza Vickers y su equivalente en Brinell correspondientes al barrido en la región del inicio de la fractura. Los puntos 1 a 5 corresponden a la zona de recargue, los puntos 8 a 12 corresponden a la zona del material de la oreja, y los puntos 6 y 7 corresponden a la transición entre ambas zonas. La dureza del recargue presenta un valor promedio de 400 HB. La dureza del material de la oreja presenta un valor promedio de 597 HB. Tanto el valor promedio como cada uno de los valores de dureza en el material de la oreja superan el máximo valor permisible según la especificación Bucyrus A002269 (dureza requerida luego del templado y revenido: 375-444 HB) [2]. Los elevados valores de dureza sugieren una alta fragilidad en el material, y podrían estar asociados con una baja temperatura de revenido. Tabla 2. Dureza en el material de la oreja. Punto 1 2 3 4

Dureza (HB) 471 495 514 518

Tabla 3. Dureza en la región del inicio de la fractura. 8 de 10

Punto

Dureza (HV)

Dureza (HB)

1

400

378

2

411

389

3

438

414

4

429

405

5

436

412

6

486

458

7

571

537

8

632

593

9

651

610

10

644

604

11

626

587

12

632

593

Zona

Recargue

Transición

Material de la oreja

4. CONCLUSIONES a) La oreja de zapata ha sido fabricada de un acero de baja aleación al NiCr-Mo, y sometida a un tratamiento térmico de templado y revenido. b) La microestructura del acero de la oreja está constituida por martensita revenida. c) La dureza de la oreja presenta valores entre 471 y 610 HB, superando ampliamente el límite máximo permisible según especificación (444 HB). La alta dureza sugiere un inadecuado tratamiento térmico de revenido. d) La oreja ha sido sometida a un proceso de recargue por soldadura. La zona de recargue presenta porosidades y discontinuidades. e) La fractura de la oreja es de naturaleza frágil, iniciándose en la zona de recargue a partir de una porosidad. f) La porosidad ha actuado como un concentrador de tensiones, a partir del cual se ha generado una fisura que se ha propagado de manera frágil a través del recargue y hacia al interior del material de la oreja. 5. RECOMENDACIONES a) Se recomienda verificar que el tratamiento térmico de revenido se realice de manera adecuada. b) Se recomienda inspeccionar los componentes que han sido sometidos a procesos de recargue por soldadura. 9 de 10

6. REFERENCIAS [1] ASM Metals Handbook Vol. 1: Properties and Selection: Irons, Steels and High Performance Alloys, ASM International, Ohio, 1990. [2] Especificación A002269: Steel Casting Crawler Links, BUCYRUS ERIE CO., suministrada por la empresa solicitante. [3] ASTM E3-11 Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens, ASTM International, Pennsylvania, 2011. [4] ASTM E407-07 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys, ASTM International, Pennsylvania, 2007. [5] ASM Metals Handbook Vol. 7: Atlas of Microstructures of Industrial Alloys, ASM International, Ohio, 1990. [6] ASTM E10-10 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials, ASTM International, Pennsylvania, 2010. [7] ASTM E384-10e2 Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials, ASTM International, Pennsylvania, 2010.

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