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ANALISIS MICROESTRUCTURAL DE MARTILLOS DE MOLIENDA RECUPERADOS
J. Gramajo 1-2, S. Zappa 1,2,3 y A. Gualco 1,2,3
1 Secretaria de Investigación – Facultad de Ingeniería UNLZ
2 i4- CIC, Calle 526 entre 10 y 11, La Plata, Argentina
3 CONICET, Godoy Cruz 2290, C.A.B.A., Argentina. [email protected].
RESUMEN
Debido al fuerte crecimiento industrial del país en los últimos años, a través del desarrollo y la ampliación de los parques industriales, se ha observado un aumento en la oferta de diferentes productos y servicios. Sin embargo, se ha encontrado que dichos sectores productivos no se han capacitado ni han adquirido nuevas tecnologías ni materiales modernos, acorde a los nuevos desafíos.
En el campo de la soldadura se han producido novedosos avances en los procesos de soldadura como ser: soldadura por fricción agitación, soldadura GMAW-FCAW con control de forma de onda, entre otros. Estas innovaciones sumadas a los nuevos materiales o consumibles a soldar generan una gran necesidad en la capacitación, asesoramiento y diseño de procedimientos adecuados que permitan obtener los máximos beneficios de dichas mejoras.
El objetivo de este trabajo es el de aumentar la vida útil de martillos de molienda utilizados en la industria cementera y minera, de gran impacto en la región del centro de la provincia de Bs As. Esto traerá aparejado un significativo ahorro en el tiempo de reposición de dichos elementos, con el consiguiente beneficio económico y ecológico. La propuesta se desarrollará en aplicar nuevos materiales nanotecnológicos mediante el procedimiento de soldadura FCAW, depositando aleaciones base Fe nanoestructurados, obtenidos con alambres tubulares por soldadura semiautomática en recargues.
Palabras Claves: recargue, martillos, nanoestructurados.
1. INTRODUCCIÓN
A partir de recientes avances en el área de soldadura se han desarrollado alambres tubulares para
el proceso semiautomático de soldadura por arco eléctrico, que permiten depositar aleaciones de
hierro nanoestructurados. Estos materiales poseen una elevada dureza, debido a su
extremadamente pequeño tamaño de grano, del orden de 30 a 50 nm. Además, pueden generar la
formación de precipitados ultra duros, como carburos de niobio, boro o tungsteno que mejoran la
resistencia al desgate abrasivo. Dichos materiales son aplicados sobre superficies nuevas o sobre
piezas desgastadas de equipos, proporcionando propiedades específicas como ser: resistencias al
desgaste abrasivo y adhesivo, al calor y sus combinaciones. Todas las propiedades, de este tipo
de materiales de última generación, hacen sumamente interesante su aplicación teniendo en la
mira la posibilidad de mejorar sus propiedades y de no perderlas a través de procedimientos de
soldadura no adecuados [1-3].
En este último tiempo, se ha observado a través de diferentes consultas realizadas por empresas
que utilizan materiales resistentes al desgaste, la necesidad de resolver diferentes problemáticas
relacionadas, fundamentalmente, con los procesos de diseño, fabricación, mantenimiento e
inspección de soldadura. Con motivo de estas consultas, surgió la necesidad de realizar un
relevamiento de las diferentes empresas con el fin de realizar un plan de trabajo que satisfaga las
necesidades de dichas empresas.
Particularmente, se puede mencionar que, en los procesos de trituración y molienda de piedra
caliza, forjado de piezas, movimiento de piedras y fluidos, laminado de metales, la degradación de
los elementos se debe principalmente a la combinación de desgaste erosivo y abrasivo con
impacto [2-6]. Los procedimientos de soldaduras actualmente utilizados para la recuperación de
dichos componentes son realizados fundamentalmente con soldadura manual con electrodo
revestido utilizando consumibles que deposita un metal de soldadura con elevados porcentajes de
carbono y cromo que dan como resultado una microestructura constituida de una matriz austenítica
con abundantes carburos dispersos en ella. Sin embargo, se ha encontrado que la vida útil de
estas recuperaciones es limitada, duración estimada de 1 a 2 días de operación, debido a la baja
resistencia del depósito y al procedimiento de soldadura inadecuado. Lo mencionado
anteriormente genera un excesivo costo de mantenimiento. Para poder evitar este rápido deterioro
se propone utilizar materiales de soldadura modernos formados por precipitados de borocarburos,
carburos y boruros complejos ultraduros distribuidos en una matriz α-ferrítica nanoestructurada,
que brindaran una mayor resistencia y un mejor comportamiento en servicio, aumentando el tiempo
en servicio. El objetivo de este trabajo es el de aumentar la vida útil de martillos de molienda
utilizados en la industria cementera y minera, de gran impacto en la región del centro de la
provincia de Bs As. Se realizará un estudio de los martillos desgastados y recargados y se
diseñarán los procedimientos de soldadura adecuados para aplicar nuevos materiales.
1.1. Estudio de caso
En el marco de los servicios de vinculación tecnológica ofrecida por la FI UNLZ y en cooperación
con la UNICEN se estableció contacto con empresas mineras y cementeras procedente zona
centro de la provincia de Buenos Aires. En este contexto se asistió en los análisis de fallas y
recuperación por medio de recubrimiento superficiales de última generación por medio del proceso
de soldadura semiautomático FCAW, en martillos de molienda para trituración de piedra caliza
procedente de las canteras, ubicada en la localidad de Olavarría, concesionada a la empresa
CEFAS S.A. Se facilitó por parte de la misma, martillos desgastados y nuevos para análisis,
procesamiento, caracterización de propiedades mecánicas y funcionalización en los laboratorios
perteneciente a la FI- UNLZ.
1.1.1 Materiales y métodos.
Se procesó el material cedido por la empresa para el análisis de falla de los recubrimientos
preexistente y el estudio del material original de partida del martillo y su eventual recupero y
funcionalización con recubrimientos duros de altas prestaciones a la abrasión e impacto según
parámetros de trabajos previos [7].
El trabajo consistió en estudiar tres martillos de molienda con un tamaño de 200 mm de largo x 70
mm ancho y 40 mm de espesor como se muestra en la figura 1:
Figura 1: Martillos de molienda.
Se identificaron las probetas con la denominación U y N indicando la condición del material como
nuevo o usado y con los números 1 y 2 indicando si corresponde a un martillo desgastado y
previamente recuperado o si corresponde a una muestra recuperada y sin desgaste. El martillo U1
y U2 fue soldado con el proceso de arco eléctrico manual SMAW mientras que para N1 se aplicó el
proceso semiautomático FCAW.
1.1.2 Preparación de muestras
Los martillos para molienda de piedra caliza, fueron sometidos a abrasión severa e impacto al
triturar la piedra mediante un movimiento alternativo como se observa en el esquema de figura 2b.
De cada martillo se extrajeron muestras de las distintas zonas de interés mediante corte
metalográfico como se muestra en la figura 2a. Las mismas fueron incluidas en resina fenólica y
sometidas a preparación metalográfica mediante proceso de desbaste progresivo con papel de lija
hasta granulometría 1000 y pulido con pasta diamantada de 1 y 3 µ. La microestructura de cada
muestra fue revelada mediante ataque químico utilizando como reactivo villela (5 ml HCl, 1 g de ácido
pícrico y 100 ml de etanol) y nital 2%( 2 ml Hcl y 100 ml etanol). Se estudió la macro y micrografía
mediante lupa estereoscópica y microscopio óptico respectivamente. Se realizaron 5 mediciones
de dureza Vickers con una carga de 1 Kg y se promediaron los valores eliminándose los valores
máximos y mínimos.
a) b)
Figura 2.a) Zonas de interés analizadas. b) Esquema de trituración
2. INSPECCION VISUAL
La probeta U1 presento signos de haber estado expuesta a un gran esfuerzo de impacto en
sentido perpendicular como se observa en la figura 3. Esto produjo una elevada deformación
plástica y perdida de material. Sobre la superficie superior se observó líneas paralelas en sentido
longitudinal a la dirección de giro características del desgaste abrasivo. Se encontraron
microhuecos o pits producidos por el impacto y la erosión del medio alcalino producto del contacto
con la piedra caliza.
Figura 3. Líneas de abrasión en la probeta U1.
En la figura 4 se observa una línea de escoria entre la pieza desgastada y el material recargue
utilizado por la empresa previo al análisis. En esta se observó una inadecuada limpieza sobre la
superficie soldada y la aplicación de una técnica de recargue no apropiada para estas aplicaciones.
También se observó vértices agudos en los extremos de la falla provocando característicos
concentradores de tensiones. En el supuesto caso que la pieza quede expuesta a un esfuerzo de
tracción, en esta zona iniciaría preferentemente la propagación de fisuras. Es importante remarcar
que las solicitaciones a las cuales están sometidos los recargues son esfuerzos de compresión [2].
Figura 4. Vista del corte transversal del martillo U2.
3. ANALISIS DE MICROGRAFIAS Y MACROGRAFIA
3.1.1 Muestra U1
En la figura 5 se muestra el lugar donde se extrajeron las muestras del martillo U1 y sus respectivas macrografías. Las zonas representativas de interés involucran:
La parte inferior del martillo (metal base)
La parte superior del material de recargue.
A su vez, en la macrografía superior se observaron 3 regiones: R1 y R3 material de recargue y R2
material de aporte de resistencia. En la parte superior de la región R3 se observan fisuras paralelas
a dirección de deslizamiento de las partículas, poniendo de manifiesto que el procedimiento de
recargue no fue el adecuado. En la macrografía tomada de la zona central no se observan defectos
macroscópicos Esto nos indicaría que el material es homogéneo.
Figura 5. Macrografía del martillo de molienda U1.
3.1.2 Muestra U2
En la figura 6 se muestras dos cortes realizados en la zona central y superior del martillo. En la
macrografía en la parte superior ó cabeza del martillo se distinguen cuatro zonas: R1 Y R3
correspondiente al material de recargue correspondiente a un consumible de alto cromo y las
zonas R2 y R4 pertenecientes a un consumible de material básico de elevada resistencia. En la
tabla N°1 se detallan las composiciones químicas de los mismos.
Tabla N° 1. Composición química de recubrimientos
Recubrimiento C Mn Si Cr Mo Fe
Básico 0.04 0.60 0.5 16.8 0.5 Bal.
Alto cromo 3.50 -- 1.80 29.0 --- Bal
Se observaron poros y fisuras producidas por una inadecuada limpieza y mala preparación del
material base a recuperar. La macrografía correspondiente con la zona central se encontró libre de
defectos macroscópico. No se observaron zonas con defectos en la macrografía realizada en el
martillo nuevo.
Figura 6. Macrografía del martillo de molienda U1 y N1.
4. ANALISIS DE MICROGRAFIAS DUREZAS
4.1.1 Muestra U1
A partir de los cortes realizados en la zona central y superior, mostrada en la figura 7, se realizaron
micrografía y mediciones de dureza Vickers para caracterización microestructural del material.
En la zona de recargue (figura 7), parte superior del martillo, se presentan 3 regiones: R1- R3 una
microestructura compuesta por Fe-ϒ con alto contenido de Cr con un patrón de segregación
dendrítica, típica para aplicaciones de impacto con una microdureza de 480- 510 HV (47-50 HRc-
450-470 HB). En la región R2 de un material de aporte de resistencia con microestructura de Fe-α
con una microdureza 170 HV (6 HRc; 170 HB).
Figura 7. Micrografía y valores de dureza del martillo U1.
Se observó que el material base del martillo (zona central) corresponde a una microestructura
bainitica – martensítica. Las mediciones de microdureza aproximadamente 400 Hv (410HRc; 388
HB), son típicas de estas estructuras [2].
4.1.2 Muestra U2
En la figura 8 se observa la microestructura correspondiente a la zona central del martillo
compuesta por fases perlática y bainitica en menor proporción. Las mediciones de dureza se
promediaron en 280 Hv, (29 HRc; 277 HB).
Figura 8. Micrografía y valores de dureza del martillo U2.
Lo mostrado anteriormente, indicaría que el tratamiento térmico no fue el adecuado ya que se
hubiera esperado una microestructura bainitica-perlitica. En la zona de recargue, en la parte
superior del martillo, se presenta las regiones R1- R3 con una microestructura de una fundición de
alto cromo austenítica, con un patrón de segregación dendrítico, típica para aplicaciones anti
abrasión e impacto, con una microdureza de 350-370 Hv (36-39 HRc; 341-360 HB) y las regiones
R2-R4 de un material de aporte de resistencia, con microestructura ferrítica y una microdureza de
150 Hv (81 HRb: 149 HB) [2].
4.1.3 Muestra N1
La figura 9 muestra los cortes metalográficos realizados en la zona central y superior de martillo de
molienda nuevo en donde se realizaron micrografías y mediciones de dureza para caracterizar el
material. Se observó que en la zona central presento una microestructura bainitico-perlitico con una
dureza aproximada en 570 Hv (53 HRc; 515 HB), típicas de estas estructuras adecuadas para el
grado de exigencia que son sometidos.
Figura 9. Micrografía y valores de dureza del martillo nuevo N1
4. APLICACIÓN DE RECARGUES NANOESTRUCTURDOS
El proceso de recuperación y funcionalización de martillos se llevó a cabo sobre las muestras U2 y
N1. Se seccionó la cara superior a 5 mm de profundidad para la implementación del recubrimiento
superficial hasta la cota impuesta según plano.
En la figura 10 se muestra las diferentes secuencias de soldadura implementada sobre los martillos
mediante procesos FCAW. Se depositó una aleación con una microestructura base Fe
nanoestructurada con carboboruros complejos de Cr-Nb-B con una matriz α- Fe, con una
composición química mostrada en la tabla N°2 [8-11].
Tabla N° 2. Composición química de recargue nanoestructurado
C Mn Si Cr Nb B Fe
0.99 0.22 1.02 16.8 4.6 4.6 Bal.
Figura 10. Secuencia de soldadura. Microestructura de recargue
En base a lo reportado por el cliente la vida útil del martillo de moliendo se extendió en más de 5
veces su duración cuando se aplicó el recubrimiento con material nanoestructurado. Esto es
consistente con lo observado en trabajos previos realizados por los autores [7], donde la
microestructura obtenida con recargues nanoestructurados constituida en una matriz de alfa hierro
con carburos de Cr/Fe, que generó una microdureza de 800 HV (61 HRc- 650 HB), fue la
adecuada para aumentar la resistencia al desgaste erosivo y abrasivo con impacto, de los martillos
de molienda empleados por la industria actualmente.
6. CONCLUSIONES ‐ PROPUETAS E INDICACIONES
La recuperación exitosa mediante el proceso de soldadura semiautomática FCAW debe tener en
boga un conocimiento mínimo de los materiales a soldar y los consumibles a utilizar desde el punto
de vista metalúrgico y resistencial, como así también el uso de procedimiento calificado de
soldadura que garantice una correcta metodología y repetitividad del proceso de soldadura
asegurando la efectividad del recubrimiento a implementar.
A tal fin, se debe verificar que el material a recuperar se encuentre libre de defectos tales como
fisuras y poros. Soldar los cordones en dirección del sentido de impacto y desgaste. Aumentar el
número de pasadas para disminuir tensiones residuales. Controlar parámetros de soldadura,
alineaciones y terminación superficial. Evitar vértices agudos en la unión soldada. Realizar una
adecuada limpieza entre pasadas.
La recuperación de la forma de la cabeza del martillo se debe hacer con un material de resistencia
a la tracción, como un consumible básico de bajo H, y no con material de recargue –este solo sirve
para esfuerzos de compresión- El cliente observó que la duración de los martillos se extendió en
más 5 veces.
4. REFERENCIAS
[1] G.E Linnert, “Welding metallurgy carbon and alloy steels”; 4 ed. AWS: Miami, Florida, p. 474, 1994.
[2] S. Merrick, D. Kotecki and J. Wu, “Materials and applications ‐ Part 2”: Welding Handbook, American Welding Society, 1998.
[3] G. Heath, “Nanotechnology and Welding – Actual and possible future applications”; Proceedings of the CASTOLIN‐EUTECTIC SEMINAR, Brussels: Belgium, p. 25‐35, 2006.
[4] A. Klimpel, “Robotized PTA surfacing of nanomaterial layers”, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering; Vol. 37 (2), p.644‐651, 2009.
[5] A. Klimpel and D. Janicki, “A study of worn wear plates of fan blades of steel mill fumes suction system”; Proceedings of the 13th Scientific International Conference, Achievements in Mechanical and Materials Engineering AMME’2005, Polonia: Gliwice, p. 307‐310, 2005.
[6] D.Koteki; J. Ogborn, “Abrasion resistance of iron‐based hardfacing alloys”. Welding Journal. Vol. 74, 8, 269s‐278s, 1995.
[7] A. Gualco, H.G. Svoboda and E.S. Surian, “WEAR RESISTANCE OF Fe‐BASED NANOSTRUCTURED HARDFACING”; Procedia Material Science, 2013.
[8] Datasheet: TeroMatec 395NOA, Eutectic Castolin‐ESAB, USA, 2008.
[9] H. Gleiter, “Nanostructured materials: basic concepts and microstructure”; Acta Materialia, Vol. 48, n.1, p. 1‐29, 2000.
[10] A. Inoe, “Amorphous and nanocrystalline materials: Preparation, properties, and applications”; Springer, p.206, 2010.
[11] D.J. Branagan, M.C. Marshall and B.E. Meacham, “High toughness high hardness iron based PTAW weld materials”; Materials Science and Engineering A 428, p. 116–123, 2006.
Agradecimientos
Los autores agradecen la Secretaria de Políticas Universitarias por el apoyo económico, a EUTECTIC-CONARCO Argentina por la provisión del consumible utilizado, a AIR LIQUIDE Argentina por la donación de los gases de soldadura, a EUTECTIC-USA por la realización de los análisis químicos, al LABORATORIO DE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE INTI - MECÁNICA por la realización de la microscopía electrónica de barrido.