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VOL.42 ENERO - ABRIL 2019 No.1
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 42, No. 1, 2019, Enero-Abril, pp. 03-47
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 42, No. 1, 18-24, 2019
Effect of welding passes number on the micro-abrasive
wear performance of hardfacing welds obtained with an
experimental coated tubular electrode
T. Ortiz* , A. Cruz-Crespo , M. Rodríguez
Centro de Estudio de Soldadura, Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial, Universidad Central “Marta Abreu” de las
Villas, CP 54 830, Santa Clara, Cuba.
*Autor de Contacto: tortiz@uclv.cu
https://doi.org/10.22209/rt.v42n1a03
Recepción: 07/06/2018 | Aceptación: 02/10/2018 | Publicación: 31/12/2018
Abstract
This paper discusses the effect of the amount of metal layers (passes) on the micro abrasive wear performance of
dependences of abrasive wear resistance performance with the material microstructure and thence with its composition
and amount of layers are analyzed. Wear resistance of metal coating is compared with an AWS EFeCr-A1A electrode,
recommended for hardfacing under abrasive wear conditions. Conclusion has been drawn that the tested electrode is
adequate for that application and also that the microstructure of weld metal varies from hypoeutectic white iron for a single
metal layer up to hypereutectic one for three layers. On the basis of statistical processing of the wear craters measurement
data it has been also concluded that in the case of micro abrasive wear characterization it is advisable to use the average
crater diameter as reference of material wear resistance instead of wear volume.
Keywords: Hardfacing weld; tubular coated electrodes; abrasive wear; ball cratering test.
Efecto del número de pasadas sobre el desempeño al
desgaste micro-abrasivo de depósitos de recargue obtenidos
con un electrodo tubular revestido experimental
Resumen
En el presente trabajo se estudia el efecto del número de pasadas sobre el desempeño al desgaste micro-abrasivo
del comportamiento al desgaste con la microestructura, gobernada esta por la composición, en función del número de
pasadas. Se realiza el estudio comparativo del desgaste, empleando como patrón de referencia un electrodo AWS EFeCr-A1A,
recomendado para enfrentar el desgaste abrasivo. Se concluye que el electrodo experimental es adecuado para el recargue
de piezas sometidas a abrasión y que, bajo el efecto del número de pasadas, el depósito pasa de una fundición hipoeutéctica
para una pasada a una hipereutéctica en tres pasadas. Con base en el procesamiento estadístco de los resultados de la
medición de la huella de desgaste se concluye, además, que en el ensayo micro-abrasivo es más conveniente utilizar, como
magnitud de referencia en la evaluación de la resistencia al desgaste del material, el diámetro medio de la huella y no el
volumen desgastado.
Palabras clave: Recargue duro; electrodo tubular revestido; desgaste abrasivo; ensayo micro-abrasivo con esfera rotativa.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 42, No. 1, 2019, Enero-Abril, pp. 03-47
19Efecto del número de pasadas sobre el desempeño al desgaste micro-abrasivo de depósitos de recargue
Introducción
En el Centro de Investigaciones de Soldadura
(CIS) de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas,
se ha trabajado por décadas en el desarrollo de consumibles
revestidos, los que han demostrado su factibilidad técnica
en el recargue de piezas [1]. Este tipo de consumible
constituye una alternativa ventajosa frente a los macizos
sintéticos, en aspectos relacionados con la transferencia
de elementos al depósito, la disminución del calor
aportado, las facilidades constructivas para sistemas de
alta aleación y un comportamiento operacional favorable
para este tipo de consumible. Paralelo a lo anterior se ha
trabajado en el CIS en el desarrollo de ferroaleaciones, a
partir del procesamiento de materias primas cubanas y
residuales industriales. Este es el caso de la ferroaleación
multicomponente del sistema Fe-Cr-Mn-Si-C, obtenida a
partir del procesamiento por reducción carbotérmica de
minerales de cromita y pirolusita cubanas [2], la cual fue
empleada como carga de aleación de un electrodo tubular
revestido para recargue, denominado como CIS3, con
diámetro 4 mm. Este nuevo material fue estudiado desde
el punto de vista de su comportamiento operacional y el
depósito sin dilución con él obtenido fue caracterizado
depositado está constituido por una fundición blanca
hipereutéctica, aleada con Cr, Mn y Si, cuyos contenidos
se enmarcan en las composiciones recomendadas para el
recargue de piezas sometidas a desgaste abrasivo como
mecanismo principal de deterioro, dadas por la norma
AWS A5.13-2010 [3]. A partir de lo anterior se hace
necesario completar la evaluación del electrodo CIS3
con la caracterización de la resistencia al desgaste de los
depósitos con dilución de este consumible, lo cual se lleva
a acabo comúnmente mediante ensayos de laboratorio.
En la última década se ha extendido el uso del
método de ensayo micro-abrasivo con esfera rotativa,
inicialmente empleado en la medición de espesores de
revestimiento, para el estudio del comportamiento frente
al desgaste abrasivo de aleaciones ferrosas [4]. Esto se
debe a sus probadas ventajas, entre las que se encuentran
la rapidez del ensayo, el pequeño tamaño de las zonas de
estudio y por tanto de las muestras, así como el uso de
equipamientos relativamente baratos.
Este ensayo consiste en generar desgaste en
un cuerpo de prueba debido a la acción de rotación
suministran a la zona de ensayo mediante un sistema de
suspensión dentro de un volumen de líquido, formando
una mezcla abrasiva de una concentración dada
Fuerza Normal
Flujo de pasta
abrasiva
Muestra de
ensayo
Figura 1. Principio de funcionamiento del ensayo de
desgaste microabrasivo con esfera rotativa libre.
Se ha demostrado la posibilidad de obtener
modos de desgaste abrasivo de “dos cuerpos”, “tres
cuerpos” y una combinación de ambos (para diferentes
condiciones de carga/concentración de la pasta abrasiva),
además de evidenciarse en algunas aplicaciones el
desgaste abrasivo a alta tensión [4]. Por otra parte, el
pequeño tamaño de las partículas abrasivas provoca que
que se logra una alta precisión en la medición [5].
abrasivo con esfera rotativa en el estudio de depósitos de
recargue base Fe de alta aleación, así como la posibilidad
de diferenciar la resistencia a la abrasión entre materiales
de propiedades similares, ha sido demostrada [6],
grietas y poros, típicos del recargue. El referido autor
estudió el efecto de la dilución en la resistencia a la
a los depósitos, lo que permitió evaluar el desempeño
del consumible para diferentes números de pasadas
y con ello optimizar el procedimiento de recargue. El
control de la dilución es un factor determinante en el
para la realización del depósito, todo lo cual tributa a los
costos del procedimiento. Se ha demostrado las ventajas
del uso de electrodos tubulares revestidos, debido a la
disminución de la dilución en el depósito de recargue [7].
En el presente trabajo se pretende evaluar el desempeño
frente al desgaste de los depósitos de una, dos y tres
pasadas, realizados con el nuevo electrodo tubular
revestido CIS3, utilizando como referencia para este
análisis un electrodo comercial AWS A5.13 EFeCr-A1A,
desgaste micro-abrasivo con esfera rotativa libre.
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20 Ortiz y col.
Parte Experimental
electrodo tubular revestido CIS3, para lo cual fue empleada
una corriente de 80 A. Se elaboraron depósitos de 1, 2 y 3
Como material base se emplearon chapas de acero AISI
fueron cortados transversalmente en la zona central para
el estudio del desgaste.
Figura 2. Depósitos de ensayo, con una pasada (a), dos
pasadas (b) y tres pasadas (c)
El área de ensayo se ubicó en la zona central de
cada pasada, en la cual fue también estudiada la
las muestras extraídas mediante los cortes transversales
de los diferentes depósitos fueron desbastadas, pulidas y
atacadas (reactivo Murakami), en correspondencia con las
normas ASTM E3 – 11 (2011) y ASTM E407 (2015) [8, 9].
estudios previos de caracterización del electrodo tubular
revestido CIS3 [10], fue estimada la composición química
de cada pasada de los depósitos con dilución (tabla 1) al
soldar con 80 A de corriente y fue calculado el carbono
equivalente (CE) mediante la expresión 1, empleada
previamente en la caracterización de materiales de similar
sistema de aleación [7].
CE (wt%) = %C + 1/.03%Mn (1)
Tabla 1. Composición química estimada de las capas de los depósitos del electrodo CIS3
CE
Elementos químicos C Cr Mn Si P S
Metal de aporte sin dilución 3,17 14,20 4,31 2,58 0,017 0,009 3,91
Metal base sin dilución (AISI 1020) 0,2 0 0,45 0 0,018 0,009 -
1ra pasada 2,72 12,07 3,73 2,19 0,02 0,01 3,35
2da pasada 3,09 13,82 4,21 2,51 0,02 0,01 3,81
3ra pasada 3,14 14,08 4,28 2,56 0,02 0,01 3,87
Para la evaluación de la resistencia al desgaste
de los depósitos obtenidos con el electrodo tubular CIS3
(diámetro 4 mm) fue empleada una máquina de ensayo
micro-abrasivo con esfera rotativa libre, perteneciente
patrón de comparación de la resistencia al desgaste
AWS A5.13 EFeCr-A1A (diámetro 4 mm), destinado al
severo. Se comparó el comportamiento frente al desgaste
de los depósitos de una pasada, considerando que esta
es la condición más crítica desde el punto de vista de la
dilución, y por consiguiente sobre la resistencia al desgaste
abrasivo del material. En el catálogo del consumible
comercial se declara una composición química para esa
primera pasada de 2,1 % de C; 1,5 % de Mn; 0,50 % de Si y
15 % de Cr. En este caso se depositó con una corriente de
150 A, basado en la recomendación del fabricante.
Como material abrasivo para el ensayo fue
empleada la alúmina, material este que posee una elevada
dureza (2100HV0,2), mayor que las de la matriz, los
carburos primarios y eutécticos que pueden formarse en
el sistema de aleación bajo estudio. También las partículas
de alúmina se caracterizan por su elevada angulosidad,
mayor que la arena sílice y el cuarzo, lo que favorece la
severidad del ensayo de desgaste. Fue utilizada una
proporción de 6,4 g de alúmina por cada 98 ml de agua
destilada con una velocidad de goteo de 1,3 ml/min,
tomando como base experiencias previas [5]. El tiempo de
ensayo fue de 5 min, la velocidad de rotación del eje de 70
0,295 µm.
estudio fueron medidas por medio de un microscopio
óptico de bajo aumento, con una escala con sensibilidad
de 0,01 mm acoplada al lente. Esta magnitud fue medida
en los ejes vertical (dy) y horizontal (dx) de la escala,
para posteriormente, a partir de su semisuma, calcular el
totales de estas mediciones se calcularon mediante la
determinación de los errores casuales y sistemáticos,
El error total de “dm”, como magnitud indirecta, es la suma
de los errores de las mediciones directas de dy y dx.
Con el valor calculado del diámetro medio (dm) se obtuvo
el volumen de desgaste (expresión 1).
(1)
En este caso el error total de “Vm” fue calculado
mediante la derivada parcial de “Vm” respecto a “dm”.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 42, No. 1, 2019, Enero-Abril, pp. 03-47
21Efecto del número de pasadas sobre el desempeño al desgaste micro-abrasivo de depósitos de recargue
Resultados y Discusión
Análisis del efecto de la dilución del depósito de
recargue del electrodo CIS3 sobre la resistencia al
desgaste abrasivo y la microestructura
resultado del ensayo mostraron apreciable nitidez en su
establecidos para el ensayo micro-abrasivo garantizaron
que se alcanzara un régimen permanente de desgaste.
Figura 3. Imagen típica de la huella de desgaste, depósito
de 1 pasada con el electrodo CIS3
A partir del análisis estadístico de la data
experimental del diámetro de las huellas de desgaste
variación de esta medición menores al 4 %, los cuales en
todos los casos son inferiores a los obtenidos en trabajos
previos donde se evalúan depósitos de recargue de alta
aleación [6]. Al comparar los errores en las magnitudes de
diámetro medio de la huella (dm) y de volumen medio de
desgaste en cada zona de estudio (Vm), se observa que son
mucho mayores para esta segunda magnitud. Esto se debe
a la propagación del error en la magnitud indirecta Vm, ya
que es proporcional a la tercera potencia del error de dm.
de los errores totales (
para las magnitudes antes
planteadas, en el depósito de tres pasadas obtenido con
el electrodo experimental CIS3. Como puede apreciarse
las diferencias en los valores porcentuales del error para
dm y Vm son notables, siendo mucho mayores para Vm,
lo cual lo convierte en un criterio menos preciso que el
diámetro medio (dm) al estudiar el comportamiento
frente al desgaste del material. Basado en lo anterior
abrasivo con esfera rotativa, resulta más preciso valorar
el comportamiento relativo del material frente al desgaste
a partir del análisis del comportamiento del diámetro
medio de la huella de desgaste.
Tabla 2. Errores en las mediciones del diámetro medio de la huella y del volumen de desgaste del depósito de tres pasadas
realizado con el electrodo CIS3
Pasadas dm (mm) Vm (mm3)3)
1ra 0,449 0,009 2,08 0,000157 0,000013 8,37
2da 0,428 0,011 2,47 0,000130 0,000013 9,86
3ra 0,417 0,011 2,57 0,000117 0,000012 10,28
frente al desgaste del material de los depósitos de una,
dos y tres pasadas, obtenidos con el electrodo CIS 3, donde
se aprecia que la resistencia al desgaste fue superior a
medida que aumentó el número de pasadas, lográndose
los valores máximos en el depósito de tres pasadas.
Figura 4. Comportamiento del desgaste en los depósitos
del electrodo experimental CIS3
representativa de la microestructura de la región central
de la sección transversal del depósito de una pasada. En
ella se observan dos zonas, una clara y una oscura. En base
a la composición estimada de la primera pasada (tabla 1),
este material se corresponde con una fundición blanca
equiaxial dentríticos, típica de la cristalización a elevados
grados de subenfriamiento, propia de los depósitos de
recargue [12]. Basado en la composición, es de esperar
que las zonas se correspondan con austenita como
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22 Ortiz y col.
eutéctica (zona oscura). Varios investigadores reportan la
obtención de microestructuras con semejante morfología
en depósitos de recargue compuestos por fundiciones
blancas aleadas [13]. En este caso, debido a la dilución
con el metal base, el depósito se empobrece de carbono
y de elementos de aleación, lo que provoca que la fase de
pasadas, donde se aprecia que con el aumento del número
de pasadas continúa apareciendo una microestructura
con morfología hipoeutéctica, lo cual es coherente con
los resultados de composición química estimados (tabla
1). Se observa, además, que comienza a prevalecer la
5c), debido al menor efecto de la dilución, así como una
el aumento del área cubierta por la zona oscura.
Figura 5. Microestructura de los depósitos del electrodo experimental CIS3, a) zona central del depósito de una pasada,
b) zona central de la primera pasada del depósito de 2 pasadas, c) zona central de la segunda pasada del depósito de 2
pasadas.
En cuanto a resistencia al desgaste de estos
depósitos del electrodo experimental CIS3, los resultados
más bajos se observan en los de una sola pasada,
aumentando notablemente la resistencia en el de dos
que existe una relación entre ambas variables respuestas,
ya que existe una marcada diferencia del área cubierta
por dentritas claras, correspondiente a la matriz metálica,
siendo esta apreciablemente mayor en el depósito de
una pasada. Dada las características de la matriz, de
menor resistencia mecánica que la mezcla eutéctica, debe
esperarse que en el depósito donde prevalezca la primera
se muestre una menor resistencia al desgaste abrasivo.
Otros autores han obtenido un comportamiento
semejante en depósitos de recargue [14] lo cual se explica
debido al efecto de los carburos eutécticos como barreras
a la deformación del material.
En el caso del depósito de tres pasadas aumentan
las diferencias entre la microestructura de las diferentes
y b) se mantiene la microestructura hipoeutéctica, aunque
en la segunda pasada ya queda muy poca austenita como
zona ocurre una mezcla con la tercera capa, aumentando
así los contenidos de carbono y de elementos de aleación,
por lo que la formación de carburos eutécticos es mayor.
dispersos micro constituyentes tipo carburos primarios,
hexagonal y algunos de ellos alargados en forma de
espinas, semejante a los reportados como carburos del
tipo M7C3 en estudios de caracterización de fundiciones
blancas aleadas [15]. Esto demuestra que para esta pasada
la dilución con el metal base es mínima, obteniéndose en
ella una composición química que permite la formación de
Al analizar la microestructura obtenida respecto
al carbono equivalente del material en la tercera pasada,
menor de 4,2 %, pudieran apreciarse contradicciones. Sin
embargo, la causa de lo anterior puede estar relacionada
con la metaestabilidad impuesta por el proceso de
soldadura [16], debido a las elevadas velocidades de
enfriamiento que experimenta el metal de los depósitos de
soldadura, lo que provoca que la estructura que se obtiene
es muy alejada a la de equilibrio. En la caracterización de
depósitos de recargue con composición química cercana
a la obtenida en la tercera pasada con el electrodo CIS3
han sido obtenidos resultados similares [17], es decir, una
microestructura del depósito hipereutéctica, constituida
por carburos primarios del tipo M7C3 y mezcla eutéctica,
lo cual apoya la valoración realizada.
En este depósito de tres pasadas se obtienen
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 42, No. 1, 2019, Enero-Abril, pp. 03-47
23Efecto del número de pasadas sobre el desempeño al desgaste micro-abrasivo de depósitos de recargue
Figura 6. Microestructura del depósito de tres pasadas del electrodo CIS3, a) zona central de la primera pasada, b) zona
central de la segunda pasada, c) zona central de la tercera pasada.
primarios en esta propiedad del material, dado el papel de
estos micro constituyentes como barrera ante al efecto del
abrasivo sobre la matriz de menor resistencia mecánica
[18]. Sin embargo, la diferencia entre los resultados
de resistencia al desgaste entre la segunda y tercera
pasadas del electrodo CIS3, disminuye con respecto a la
diferencia entre la primera y segunda pasadas. Al analizar
6c) se observa que prevalece el área constituida por
mezcla eutéctica, ya que los carburos que se obtienen
son pequeños y escasos, por lo que su presencia no tiene
material.
Análisis comparativo de la resistencia al desgaste
de depósitos del electrodo CIS3 y del comercial de
referencia
en el depósito de una pasada del electrodo comercial
diámetro medio de la huella de 0,487 mm. Al compararlo
con el diámetro medio de la huella de 0,503 mm del
electrodo experimental CIS3 para iguales condiciones,
se obtiene que la diferencia relativa es inferior al 10 %
que, para esta pasada donde es mayor el efecto de la
dilución con el metal base, el electrodo experimental
CIS3 muestra una resistencia al desgaste comparable
a la de un electrodo comercializado para el recargue de
en el comportamiento frente al desgaste abrasivo de
materiales con composición química diferente permite
comprobar que en las propiedades del depósito de
composición química. En este caso debe considerarse la
diferencia entre las corrientes de soldadura que emplean
ambos consumibles, mucho mayor para el electrodo
comercial (140 A) que para el experimental CIS3 (80 A).
Esto ocasiona un menor aporte de calor en el depósito
de este último, lo que disminuye la dilución con el metal
base, favoreciendo la aleación del depósito. Por otra
parte, el menor aporte de calor del electrodo CIS3 implica
un menor volumen de metal fundido y con ello mayores
gradientes de enfriamiento, aspecto este ventajoso para la
altas propiedades de resistencia mecánica y al desgaste
abrasivo. Ambos aspectos fundamentan la semejanza
en el comportamiento frente al desgate abrasivo de los
materiales de aporte ensayados.
Conclusiones
El número de pasadas (la dilución) tiene un
marcado efecto en el comportamiento frente al desgaste
abrasivo, condicionado por el efecto sobre la composición
y la microestructura que va desde una fundición blanca
hipoeutéctica a una hipereutéctica, en los depósitos
de resistencia al desgaste de los depósitos de dos y tres
pasadas son superiores en un 15 y 20 % respectivamente,
a los de una pasada.
desgaste obtenido mediante el ensayo micro-abrasivo por
esfera rotativa permite una valoración de la propiedad de
resistencia al desgaste abrasivo del material bajo estudio
más precisa que el volumen de desgaste, como resultado
de una menor propagación del error.
El electrodo tubular revestido CIS3 es viable
a desgaste abrasivo, ya que muestra resultados de
resistencia en el orden del 90 % del obtenido con un
A5.13 EFeCr-A1A).
[1] Ortiz T. M., Cruz-Crespo A., Rodríguez M.:
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 42, No. 1, 2019, Enero-Abril, pp. 03-47
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