Ortiz-Méndez, Tamara María et al. 1
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia, 2024, Vol. 47, e244703
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Procedimiento de Ensayo de Desgaste Microabrasivo para
la Caracterización de Materiales Ferrosos de Alta Dureza
Tamara María Ortiz-Méndez
*
, Dayán Montero-Madán , Amado Cruz-
Crespo , Jorge Víctor Miguel-Oria
Centro de Investigaciones de Soldadura, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Central “Marta Abreu”
de las Villas. CP 50100. Santa Clara, Cuba.
*Autor de correspondencia: tortiz@uclv.cu
https://doi.org/10.22209/rt.v47a03
Recepción: 17 julio 2023 | Aceptación: 03 mayo 2024 | Publicación: 31 mayo 2024
Resumen
El ensayo de desgaste microabrasivo con esfera rotativa es un método cuya factibilidad en la caracterización
de la resistencia al desgaste de materiales metálicos ha quedado demostrada en numerosas investigaciones; sin
embargo, no se cuenta con una norma que establezca el procedimiento para su aplicación. Lo anterior conlleva a
la necesidad de establecer un procedimiento de ensayo adecuado para aplicaciones específicas. En el presente
trabajo se propone un procedimiento de ensayo microabrasivo dirigido a la caracterización de materiales ferrosos
de alta aleación y dureza, validado por la calidad de las huellas de desgaste, el comportamiento del diámetro con
respecto al tiempo de ensayo y la dispersión de los resultados de las mediciones. Se demostró que, mediante el
empleo de alúmina como abrasivo, con concentración de 10 g por cada 100 ml de agua, frecuencia de goteo de 1
gota/5 seg, fuerza de ensayo de 0,27 N, velocidad de rotación del eje de 80 rpm y tiempo de ensayo de 10 min, se
obtienen mediciones fiables en régimen de desgaste permanente. Se comprobó además que existe una
correspondencia entre la dureza y la microestructura del material con la dispersión de los resultados y el tamaño
medio de la huella de desgaste.
Palabras clave: desgaste abrasivo; ensayo de desgaste microabrasivo con esfera rotativa; resistencia al desgaste.
Microabrasive Wear Test Procedure for Characterization
of High Hardness Ferrous Materials
Abstract
The ball cratering microabrasive wear test is a method whose feasibility in wear resistance characterization
of metallic materials has been demonstrated in numerous investigations; however, there is still no standard that
establishes the procedure for its application. This leads to the need the need to establish a test procedure suitable
for specific applications. In the present work a microabrasive test procedure was obtained aimed at the
characterization of high alloy and hardness ferrous materials, validated by the quality of wear mark, the behavior
of the crater diameter with respect to the test time and the dispersion of the measurement results. It was
demonstrated that, by using alumina as abrasive, with concentration of 10 g per 100 ml of water, dripping
frequency of 1 drops/5 sec, test force of 0.27 N, shaft rotation speed of 80 rpm and test time of 10 min, reliable
measurements are obtained in a permanent wear regime. It was also found that there is a correspondence between
the hardness and the microstructure of the material with the dispersion of the results and the average size of the
wear track.
Keywords: abrasive wear; ball cratering microabrasive wear test; wear resistance.
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Procedimento de Teste de Desgaste Microabrasivo para
Caracterização de Materiais Ferrosos de Alta Dureza
Resumo
O ensaio de desgaste microabrasivo com esfera rotativa, é um método cuja viabilidade em caracterizar a
resistência ao desgaste de materiais metálicos foi demonstrada em inúmeras investigações; Porém, não existe uma
norma que estabeleça o procedimento para sua aplicação. O acima exposto leva à necessidade de estabelecer um
procedimento de teste apropriado para aplicações específicas. No presente trabalho é proposto um procedimento
de ensaio microabrasivo voltado à caracterização de materiais ferrosos altamente ligados e duros, validado pela
qualidade das marcas de desgaste, pelo comportamento do diâmetro em relação ao tempo de ensaio e pela dispersão
dos resultados. das medições. Foi demonstrado que, utilizando alumina como abrasivo, com concentração de 10 g
por 100 ml de água, frequência de gotejamento de 1 gota/5 seg, força de teste de 0,27 N, velocidade de rotação do
eixo de 80 rpm e tempo de teste de 10 min, medições confiáveis são obtidas em regime de desgaste permanente.
Foi comprobado também que existe uma correspondência entre a dureza e microestrutura do material com a
dispersão dos resultados e o tamanho médio da marca de desgaste.
Palavras-chave: desgaste abrasivo; ensaio de desgaste microabrasivo com esfera rotativa; resistência ao desgaste
Introducción
El desgaste abrasivo es definido por la norma ASTM G40 (2002) como el tipo de daño debido a partículas o
protuberancias duras que se mueven forzadamente a lo largo de una superficie sólida. León Sevilla et al. (2004) y
Turenne et al. (1989) coinciden en que la naturaleza y extensión del desgaste abrasivo es dependiente de un número
de factores, entre los que se incluyen la microestructura del material afectado, el tipo de abrasivo y sus
características (tamaño, forma, dureza), la magnitud de las tensiones en los componentes del sistema, la frecuencia
de contacto de la partícula abrasiva con la superficie, el movimiento relativo, la temperatura y el efecto de
sustancias químicas. Dichos factores interactúan para producir un complejo sistema tribológico, alterando la
intensidad del proceso, y con ello, la tasa (Q), el coeficiente (k) y el volumen de desgaste (V). De ahí que pueda
plantearse que la resistencia al desgaste no es una propiedad intrínseca de los materiales, sino que depende del
conjunto de condiciones que definen el sistema, por tanto, del método y el procedimiento empleado para su estudio.
En las últimas décadas se ha venido empleando para la caracterización del comportamiento de los materiales
frente a condiciones de desgaste abrasivo, una nueva configuración de equipos denominada “máquina de desgaste
microabrasivo con esfera rotativa”, inicialmente aplicada en la medición de espesores de revestimientos, pero con
reconocidos resultados en la caracterización de materiales ferrosos (Ortiz Méndez et al., 2019; Cozza et al., 2013a;
Gant y Gee, 2011; De Mello y Polycarpou, 2010; Stachowiak et al., 2005 y 2006). En este caso, debido al contacto
entre una esfera en rotación y la superficie de una muestra de ensayo, bajo la acción en la interfase de una pasta
abrasiva, se genera un cráter semiesférico como huella de desgaste, cuyas dimensiones permiten predecir o estimar
el comportamiento relativo del material. Existen diferentes configuraciones de este tipo de ensayo, destacándose
por su sencillez la que aplica el principio “con esfera rotativa libre” (Figura 1) (Gee et al., 2003). En este caso, el
giro de la esfera se produce debido a la rotación de un eje, el cual la impulsa por la acción del rozamiento con los
bordes de una entalla.
Figura 1. Ensayo de desgaste microabrasivo con esfera rotativa libre. a) Principio de funcionamiento, b) Imagen
típica de la huella de desgaste (Ortiz Méndez et al., 2019).
b)
Flujo de pasta
abrasiva
Ortiz-Méndez, Tamara María et al. 3
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Cozza et al. (2007 y 2013a) han demostrado que mediante el ensayo microabrasivo con esfera rotativa, es
posible 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. Por su parte, el pequeño tamaño de las partículas abrasivas provoca que las
huellas de desgaste presenten bordes definidos, con lo que se logra una alta precisión en las mediciones (Ortiz
Méndez et al., 2019). Dicho ensayo se encuentra estandarizado para el estudio de recubrimientos cerámicos bajo
las normas BS EN 1071-6 (2007) e ISO 26424 (2008), pero no se cuenta con una norma para su aplicación como
método de caracterización de la resistencia al desgaste de materiales metálicos. Esto provoca que en los diferentes
estudios donde se reporta la aplicación de este método, no se aprecia sistematicidad de criterios que sustenten la
selección de las variables de ensayo, lo que evidencia la necesidad de respaldar la selección de los parámetros del
régimen de ensayo por investigaciones previas en los materiales objeto de estudio.
Adachi y Hutchings (2003) obtuvieron un mapa de los modos de desgaste abrasivo que se manifiestan en
dependencia de la carga y la concentración del material abrasivo, para lo cual emplearon partículas de carburo de
silicio con granulometría en el orden de los 4 µm. Este resultado es aplicable a los materiales estudiados, mientras
se mantengan las características de la pasta abrasiva y los parámetros de ensayo dentro de los rangos utilizados en
estos experimentos. De igual manera ocurre con otras investigaciones, donde se emplea una gran diversidad de
materiales y un amplio rango de parámetros, según se evidencia en la revisión realizada por Rodríguez Torres
(2019). Además del carburo de silicio, se usan otros materiales como abrasivo, tales como el cuarzo la alúmina, el
polvo de diamante y el óxido de zirconio, en diferentes granulometría y concentración (Silva et al., 2011).
Por otra parte, para caracterizar de manera fiable el comportamiento de un material en determinado sistema
tribológico, el proceso de desgaste debe ocurrir bajo un régimen permanente, que se alcanza cuando se asienta la
superficie y desaparece el efecto de las irregularidades. Esto garantiza que se mantengan constantes la intensidad,
la tasa y el coeficiente de desgaste (Trezona y Hutchings, 1999). De ahí que el momento en el que comienza el
desgaste en régimen permanente está determinado por el acabado superficial de la muestra, el material abrasivo,
su granulometría y concentración, así como los parámetros de ensayo (Trezona y Hutchings, 1999), lo cual implica
la necesidad de establecer técnicas operatorias en dependencia del material a estudiar, del set de parámetros de
ensayo y de las características del abrasivo.
El presente estudio tuvo como objetivo proponer un procedimiento de ensayo de desgaste microabrasivo con
esfera rotativa libre para la caracterización de materiales ferrosos de alta aleación y dureza, empleados en
aplicaciones donde predominan las condiciones de desgaste abrasivo, basado en la determinación de parámetros
del ensayo que garanticen la calidad de las mediciones en un régimen de desgaste permanente.
Materiales y Métodos
Selección de los materiales de estudio
Méndez et al. (2014) plantean que entre los materiales más empleados para enfrentar condiciones de trabajo
donde predomina el desgaste abrasivo se encuentran las aleaciones base carburos, fundamentalmente las
fundiciones blancas aleadas al cromo. Otros materiales que brindan alta resistencia a la abrasión son los aceros
con microestructura martensítica, los aceros de alto manganeso (Hadfield) luego de endurecidos por impacto, así
como varios tipos de aleaciones base Ni, Cu o Co con elementos formadores de carburos dentro de su composición.
Basado en lo anterior, los materiales seleccionados para este estudio fueron la fundición blanca ASTM A532 clase
I tipo A y un acero para herramienta clasificado por GOST 5950 como 9XBG, tratado térmicamente. Se incluyó
además en el estudio una muestra de acero AISI 1015 con el objetivo de contrastar los resultados en cuanto a la
correlación de las características del material con su comportamiento frente al desgaste microabrasivo, y con ellos
analizar la sensibilidad del método. La composición química de estos materiales, establecida en las normas de
clasificación, se muestran en la Tabla 1.
Estas muestras fueron caracterizadas desde el punto de vista metalográfico, para lo cual fue necesaria la
preparación de la superficie mediante desbaste y pulido, según el procedimiento establecido en la norma ASTM
E3 (2001). El ataque químico se realizó por inmersión con el empleo de Nital al 1 % para las muestras de acero
AISI 1015 y de acero GOST 9XBG, y se usó el reactivo Vilella para la fundición blanca, considerando lo
establecido en ASTM E407 (2007). La observación de la microestructura se hizo mediante el empleo de un
microscopio óptico metalográfico Neophot 32 y en las mediciones de dureza se utilizó un durómetro marca
Heeckert, con una carga de 1 kgf durante un tiempo de 10 s, sobre la base de lo establecido en ASTM E384 (2017).
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Tabla 1. Composición química de los aceros empleados para los ensayos (ASTM A532, 2019; GOST 5950,
2000; Vander Voort, 2004).
Clasificación
Composición química (% en peso)
C
Mn
Cr
Mo
V
Ni
Otros
ASTM A532
3,0-3,6
1,3
1,4-4
1,0
-
3,3-5,0
-
GOST 9XBG
0,85-0,95
0,9-1,2
0,5-0,8
≤ 0,2
≤ 0,15
≤ 0,4
W: 0,5-0,8
Ti ≤ 0,03
Cu ≤ 0,3
AISI 1015
0,13-0,18
0,3-0,6
-
-
-
-
-
-: no se incluye. Los contenidos de P y S no exceden el 0,040 y 0,050 % para todos los materiales, respectivamente.
Selección de los parámetros de ensayo de desgaste microabrasivo con esfera rotativa libre
El equipo de ensayo de desgaste microabrasivo con esfera rotativa libre empleado, así como la técnica
operatoria, fueron desarrollados y validados por López Escobar et al. (2022). Como material abrasivo se seleccionó
la alúmina calcinada de marca AnalaR® y procedencia inglesa, con granulometría menor o igual a 1 µm. El empleo
de este abrasivo para el estudio de materiales de alta dureza y resistencia a la abrasión se debe a su elevada dureza
(2100 HV0,2), reportada por Badisch y Mitterer (2003). Además, Stachowiak et al. (2006) plantean que las
partículas de alúmina poseen alta angulosidad, mayor que la arena sílice y el cuarzo, lo que favorece la severidad
del ensayo de desgaste. Esta se empleó en una concentración de 10 g de alúmina por cada 100 ml de agua destilada,
probada con excelentes resultados en el trabajo de López Escobar et al. (2022). Para la determinación de las demás
variables de ensayo, se partió de experiencias previas en aplicaciones del ensayo microabrasivo con esfera rotativa
libre sobre materiales metálicos, reportadas en la literatura y compendiadas en el trabajo de Rodríguez Torres
(2019). Basado en esto, se usó una frecuencia de goteo de la pasta abrasiva de 1 gota cada 5 seg, lo que permitió
acelerar el proceso de desgaste, considerando la elevada dureza de los materiales a estudiar y la importancia de
disminuir el tiempo de experimentación para aumentar la eficiencia del procedimiento de ensayo.
En el caso de la fuerza normal, para el ensayo con esfera rotativa libre el valor de este parámetro está
determinado por el peso de la bola y el ángulo máximo de inclinación respecto al plano vertical. Según Rodríguez
Torres (2019), generalmente este parámetro no supera los 1,1 N para estos ensayos. Por su parte, Cozza (2013b)
comenta que se deben emplear ángulos elevados de inclinación de la muestra, para evitar el resbalamiento de la
bola en su interferencia con el eje. Considerando lo anterior, se seleccionó un ángulo de 70º. El equipo utilizado
emplea bolas de 25,4 mm de diámetro de acero AISI 52100, con una masa de 0,067 kg, la cual ejerce una fuerza
normal sobre la superficie de ensayo de 0,27 N. Con respecto a la velocidad de rotación del eje, Rodríguez Torres
(2019) señala que esta variable varía en un rango entre 37,5 y 150 rpm para el equipo con esfera rotativa libre,
estando en la mayoría de los casos por debajo de 80 rpm. Cozza et al. (2009) justifican la selección de velocidades
de rotación bajas (37,5 rpm) debido a que de esta forma se elimina el efecto hidrodinámico en el ensayo. También,
Bethke y Schiffmann (2001) destacan que, para el equipo de bolas libres, la tendencia de la bola a deslizarse sobre
el eje aumenta a medida que la velocidad se incrementa. Ambos factores pueden conducir a una aparente
disminución del desgaste a medida que aumenta la velocidad de la bola, lo cual afecta la fiabilidad de los resultados
del ensayo. Dado lo anterior, se empleó una velocidad de rotación del eje de 80 rpm.
En cuanto a la distancia de deslizamiento y el tiempo de ensayo, estos parámetros se vinculan directamente,
y sus valores se incrementan para los materiales de alta resistencia al desgaste abrasivo, con vistas a ensayar en
régimen de desgaste permanente y obtener huellas con contornos nítidos que permitan su medición con calidad.
Basado en lo anterior, los tiempos de ensayo seleccionados para el estudio fueron 5, 10 y 15 min, correspondiente
a distancias de 63,8; 127,6 y 191,4 m; respectivamente. La medición de la huella de desgaste se realizó por medio
de un microscopio portátil (read-out), de bajo aumento (24x). Se realizaron tres réplicas de cada punto
experimental de tiempo de ensayo.
Para la evaluación estadística de estos resultados, así como de los modelos de regresión de comportamiento
de desgaste en función del tiempo para los materiales estudiados, se empleó el análisis de varianza (ANOVA), el
cual distribuye la varianza de la respuesta en dos componentes, uno para la estimación del modelo y otro para el
error experimental. Este análisis utiliza la prueba de Fisher para evaluar la significación del modelo obtenido. Se
consideraron estadígrafos como el coeficiente de correlación para evaluar el nivel de relación entre las variables;
la R
2
ajustada que describe la cantidad proporcional de variación en la variable respuesta respecto a la variable de
entrada; el error estándar del estimado que representa la desviación estándar para los residuos; el error absoluto
medio como criterio para evaluar el ajuste del modelo, lo cual se realizó con el empleo del programa Statgraphic
Centurión V18.
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Resultados y Discusión
Caracterización metalográfica de los materiales estudiados
En la Figura 2 se muestran las microestructuras de los materiales seleccionados para el estudio. En el caso
del acero con clasificación GOST 9XBG, con el aumento utilizado para visualizar la microestructura (Figura 2a),
no se observaron fases con forma acicular típicas del tratamiento térmico de temple. Sin embargo, el estudio de
dureza arrojó un valor medio de 554,7±0,9 HV, lo que permite afirmar que el material ha sido endurecido por
tratamiento térmico. Esto le aporta propiedades favorables frente al desgaste abrasivo, dada la alta dureza de las
fases que lo componen (León Sevilla et al., 2004).
Figura 2. Microestructura de los materiales estudiados. a) Acero GOST 9XBG, b) Fundición blanca ASTM
A532, c) AISI 1015.
En la Figura 2b se observa la microestructura de la fundición blanca con morfología hipereutéctica, la cual
se compone de carburos primarios del tipo M
7
C
3
(barras de sección transversal hexagonal), rodeados de una zona
de apariencia eutéctica formada por carburos secundarios y matriz metálica, típica de este tipo de material (Singla
et al., 2016; Vander Voort, 2004). La resistencia al desgaste de las fundiciones blancas hipereutécticas está
determinada por el efecto de los carburos primarios y eutécticos, dado por su tamaño, forma y composición
química, así como por la microestructura de la matriz, según demostraron Cardoso et al. (2014) en sus
investigaciones. El valor medio obtenido en el ensayo de dureza a esta muestra fue de 555,7±0,7 HV, semejante
al reportado por Dieter (1997) para este tipo de material. En la Figura 2c se destaca la microestructura del acero
con clasificación AISI 1015; como era de esperar, este material presentó una estructura ferrito-perlítica, semejante
a la indicada por Vander Voort (2004) para este material. La dureza obtenida, 110,7±4,6 HV, se enmarca dentro
del rango reportado por Kuhn y Medlin (2000) para este acero en estado recocido, lo cual se corrobora dada la
morfología equiaxial de los granos en la microestructura.
Análisis de los resultados de los ensayos de desgaste
En la Figura 3 se muestra la apariencia típica de las huellas de desgaste obtenidas en la fundición blanca
ASTM A532, ensayada con un tiempo de 15 min, donde se aprecian las marcas de desgaste con forma de surcos
paralelos, lo que demuestra que el mecanismo de desgaste abrasivo ocurrió por el modo de dos cuerpos. Semejante
apariencia se manifestó en los demás experimentos, para los tres materiales. En todos los casos se obtuvo una
adecuada nitidez de contorno, lo que evidencia que durante el ensayo se alcanzó el régimen de degaste permanente
(Cozza et al., 2005). Por su parte, los resultados de desgaste obtenidos en el ensayo microabrasivo para los tiempos
de ensayo de 5, 10 y 15 min se presentan en la Tabla 2.
Se utilizó como parámetro de evaluación la magnitud del diámetro medio de la huella (dm), dado que este
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 de la magnitud “diámetro medio”
en relación con la magnitud indirecta “volumen medio de desgaste”, ya que el error del volumen es proporcional
a la tercera potencia del error del diámetro medio, debido a que se calcula como la primera derivada del primero
respecto al segundo (Ortiz Méndez et al., 2019).
a)
b)
c)
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Figura 3. Apariencia de la superficie desgastada de la muestra de fundición blanca ASTM A 532, posterior a los
15 min de ensayo.
Tabla 2. Resultados del diámetro de la huella de desgaste en los materiales estudiados y coeficientes de
variación de las mediciones.
Parámetro
Tiempo de ensayo, t (min)
5 min
10 min
15 min
Acero GOST 9XBG
Diámetro medio (dm) (mm)
1,13
1,27
1,38
Coeficiente de variación (%)
2,22
1,14
1,82
Fundición blanca ASTM A532
Diámetro medio (dm) (mm)
1,07
1,25
1,34
Coeficiente de variación (%)
3,58
2,00
1,08
Acero AISI 1015
Diámetro medio (dm) (mm)
1,37
1,44
1,59
Coeficiente de variación (%)
1,82
1,00
0,91
Para asegurar que los resultados fueron significativamente diferentes entre los diferentes materiales de
experimentación, se realizó un análisis de comparación de datos con los diámetros de las huellas, tomados en los
tres tiempos de ensayo para cada material estudiado, por medio de un ANOVA, el cual arrojó en todos los casos
que existe una diferencia estadísticamente significativa (p<0,05) entre las medias de los diámetros de las huellas
para los tres tiempos de ensayo (5, 10 y 15 min), demostrándose así que los rangos de variación de la variable
tiempo seleccionados para la experimentación son adecuados. Otro aspecto a destacar es el comportamiento del
coeficiente de variación del diámetro de la huella en los diferentes tiempos de ensayo para los materiales
estudiados. Tomando como referencia lo establecido en la norma ASTM G65 (2021), este estadígrafo en valores
menores que 7 es un reflejo de la repetibilidad del ensayo de desgaste; y por tanto, de la calidad de las mediciones.
Como puede apreciarse (Tabla 2), en todos los casos se cumplió esta condición. No obstante, hay que destacar que
a medida que aumentaba la dureza y la resistencia al desgaste del material, se incrementaba la dispersión de los
resultados, sobre todo para el tiempo de ensayo más bajo (5 min), lo que indica que el ensayo debe realizarse con
tiempos mayores a este, en función de optimizar la fiabilidad del método.
Cozza (2006) plantea que cuando el desgaste presenta una variación lineal respecto al tiempo de ensayo (o a
la distancia de deslizamiento), se considera que ya fue alcanzado el régimen permanente de desgaste. En función
de verificar si esto ocurrió en los ensayos, se obtuvieron las curvas de comportamiento de diámetro de la huella en
función del tiempo (t) para los tres materiales estudiados, según la Figura 4. Aquí se visualiza el comportamiento
superior en cuanto a resistencia al desgaste de la fundición blanca ASTM A532, a pesar de poseer una dureza
similar al acero GOST 9XBG tratado térmicamente. Esto se corresponde con lo planteado por Wang et al. (2010)
y Coronado et al. (2009), quienes consideran que la dureza no describe la resistencia al desgaste abrasivo en
materiales de sistemas de aleación diferentes. Dicho comportamiento de la resistencia al desgaste en la muestra de
fundición blanca hipereutéctica, se justifica por lo descrito por Chatterjee y Pal (2003), quienes lo explican debido
a la presencia de carburos aleados de elevada dureza (M
7
C
3
: 1600-1800 HV) dentro de la microestructura, los
cuales actúan como barreras efectivas frentes al efecto de las partículas abrasivas. En el caso del acero para
herramienta GOST 9XBG, su comportamiento favorable se debe a la elevada dureza, como resultado del
tratamiento térmico que presenta este material (Kuhn y Medlin, 2000), según se comprobó en el estudio de dureza.
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En la Figura 4 se aprecia que el mayor desgaste ocurrió en el acero AISI 1015. Este es un resultado esperado
dado el comportamiento desfavorable de los aceros al carbono frente a condiciones de desgaste abrasivo, lo cual
se debe a que la dureza de las fases que lo constituyen es varias veces inferior a la de las partículas abrasivas (León
Sevilla et al., 2004).
Figura 4. Comportamiento del diámetro medio del cráter de desgaste respecto al tiempo de ensayo para los
materiales estudiados.
Las ecuaciones de las curvas del diámetro de la huella de desgaste (dm) en función del tiempo de ensayo (t),
se exponen a continuación (Ecuaciones 1, 2 y 3), para los tres materiales estudiados:
dm
(GOST 9XBG)
= 1,008 + 0,025·t
(1)
dm
(Fundición blanca)
= 0,949 + 0,027·t
(2)
dm
(AISI 1015)
= 1,254 + 0,022·t
(3)
En todos los casos la calidad de los modelos lineales fue avalada por los resultados de la prueba ANOVA,
demostrándose una relación estadísticamente significativa entre diámetro de la huella y el tiempo de ensayo, con
un nivel de confianza del 95,0 %, para ajustes del modelo superiores al 90,0 % y coeficientes de correlación
superiores al 0,96; lo que indica una correlación positiva entre las variables. En todos los casos el error estándar
del estimado no superó el 3 % y el error absoluto medio fue inferior al 2 %, indicando una dispersión mínima de
las mediciones. A partir de lo anterior, se evidencia la linealidad del comportamiento del diámetro de la huella de
desgaste respecto al tiempo (5, 10 y 15 min) en los tres materiales estudiados, lo que indica que el fenómeno de
desgaste ocurre en régimen estacionario o permanente, período en el cual deben realizarse las mediciones para la
caracterización de los materiales; y por tanto, avala la adecuada selección de los tiempos de ensayo (Cozza et al.,
2005). No obstante, considerando la dispersión relativa del conjunto de datos, dada por el coeficiente de variación
(Tabla 2), se puede comprobar que esta se torna inferior al 2 % para tiempos mayores de 10 min, lo que refleja la
calidad de las mediciones del método de estudio. Considerando además como criterio la eficiencia en la
experimentación, puede plantearse que el empleo de 10 min de tiempo de ensayo, junto a los parámetros del
régimen seleccionado y la técnica operatoria empleada, son las condiciones adecuadas para el estudio de materiales
ferrosos de alta aleación y dureza.
Finalmente, otro aspecto que se destaca al analizar las Ecuaciones 1, 2 y 3 es la similitud de las pendientes
de las curvas hasta la segunda cifra decimal (0,02), hecho esperado ya que la razón de desgaste depende de los
parámetros del ensayo y no del material de prueba (Adachi y Hutchings, 2005). Este resultado avala también la
fiabilidad de las mediciones de desgaste obtenidas mediante la técnica de ensayo microabrasivo con esfera rotativa
libre, aplicado a materiales ferrosos de alta dureza y resistencia al desgaste abrasivo y la adecuada selección de los
parámetros de ensayo empleados con este fin.
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Conclusiones
El ensayo microabrasivo con esfera rotativa libre sobre materiales de alta aleación y dureza, donde se emplea
alúmina como abrasivo en una concentración de 10 g por cada 100 ml de agua, con una frecuencia de goteo de 1
gota/5 seg, una fuerza de ensayo de 0,27 N; una velocidad de rotación del eje de 80 rpm y un tiempo de ensayo de
10 min, permite la obtención de mediciones fiables en un régimen de desgaste permanente. En los ensayos
realizados, a medida que aumenta la dureza y la resistencia al desgaste del material, aumenta la dispersión de los
resultados. A partir del tiempo de ensayo de 10 min el coeficiente de variación de las mediciones no superó el 2
% para ninguno de los materiales ensayados, lo que evidencia la importancia de adecuar este parámetro de ensayo
al tipo de material bajo estudio. Los resultados de pérdida de volumen de material desgastado sobre las muestras
de fundición blanca ASTM A532 clase I tipo A, de acero para herramientas GOST 9XBG y de acero al carbono
AISI 1015, se corresponden de manera proporcional con la dureza relativa de esos materiales y la composición de
su microestructura, lo que evidencia la superioridad de las fundiciones blancas aleadas frente al mecanismo de
desgaste abrasivo.
Referencias Bibliográficas
Adachi, K., Hutching, I. M. (2003). Wear-mode mapping for micro-scale abrasion test. Wear, 2555, 23-29.
Adachi, K., Hutchings, I. M. (2005). Sensitivity of wear rates in the micro-scale abrasion test to test conditions
and material hardness. Wear, 258, 318-321.
ASTM E384. (2017). Standard test method for microindentation hardness of materials. West Conshohocken:
American Society of Testing Materials (ASTM).
ASTM E3. (2001). Standard guide for preparation of metallographic specimens. West Conshohocken: American
Society of Testing Materials (ASTM).
ASTM-E407. (2007). Standard practice for microetching metals and alloys. West Conshohocken: American
Society of Testing Materials (ASTM).
ASTM A532. (2019). Standard specification for abrasion-resistant cast irons. West Conshohocken: American
Society of Testing Materials (ASTM).
ASTM G40. (2002). Standard terminology relating to wear and erosion. West Conshohocken: American Society
of Testing Materials (ASTM).
ASTM G65. (2021). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus.
West Conshohocken: American Society of Testing Materials (ASTM).
Badisch, E., Mitterer, C. (2003). Abrasive wear of high-speed steels: influence of abrasive particles and primary
carbides on wear resistance. Tribology International, 36, 765-770.
Bethke, R., Schiffmann, K. (2001). Ball cratering wear test: review of the state of the art. Braunschweig:
Fraunhofer Institut fur Schicht und Oberflachentechnik.
BS EN 1071-6. (2007). Advanced technical ceramics. Methods of test for ceramic coatings. Determination of the
abrasion resistance of coatings by a micro-abrasion wear test. London: British Standards Institution (BSI).
Cardoso, P. H. S., Israel, C. L., Strohaecker, T. R. (2014). Abrasive wear in austempered ductile irons: a
comparison with white cast irons. Wear, 313, 29-33.
Chatterjee, S., Pal, T. K. (2003). Wear behavior of hardfacing deposits on cast iron. Wear, 255, 417-425.
Coronado, J. J., Caicedo, H. F., Gómez, A. L. (2009). The effects of welding processes on abrasive wear resistance
for hardfacing deposits. Tribology International, 42, 745-749.
Cozza, R. C. (2006). Estudo do comportamento do coeficiente de desgaste e dos modos de desgaste abrasivo em
ensaios de desgaste micro-abrasivo. Tesis de maestría. São Paulo: Universidade de São Paulo.
Ortiz-Méndez, Tamara María et al. 9
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia, 2024, Vol. 47, e244703
Cozza, R. C. (2013a). A study on friction coefficient and wear coefficient of coated systems submitted to micro-
scale abrasion tests. Surface & Coatings Technology, 215, 224-233.
Cozza, R. C. (2013b). Análise sobre a reprodutibilidade de resultados e fragmentação de partículas abrasivas em
ensaios ball-cratering. Tecnologia em Metalurgia, Materiais e Mineração, 10(2), 103-111.
Cozza, R. C., de Mello, J. D. B., Tanaka, D. K., Souza, R. M. (2007). Relationship between test severity and wear
mode transition in micro-abrasive wear tests. Wear, 263, 111-116.
Cozza, R. C., Tanaka, D. K., Souza, R. M. (2009). Friction coefficient and abrasive wear modes in ball-cratering
tests conducted at constant normal force and constant pressure -Preliminary results. Wear, 267, 61-70.
Cozza, R. C., Martins Souza, R., Katsuki Tanaka, D. (2005). Wear mode transition during the micro-scale
abrasion of WC-Co P20 and M2 tool steel. 18
th
International Congress of Mechanical. Ouro Preto: COBEM Ed.
ABCM, 6-11.
De Mello, J. D., Polycarpou, A. (2010). Abrasive wear mechanisms of multi-components ferrous alloys abraded
by soft, fine abrasive particles. Wear, 269, 911-920.
Dieter, G. E. (Ed.). (1997) Materials, selection and sesign. ASM Handbook. Vol. 20. Ohio: ASM International.
Gant, A. J., Gee, M. G. (2011). A review of micro-scale abrasion testing. Journal of Physics D: Applied Physics,
44(7), 7-30.
Gee, M. G., Gant, A., Hutchings, I., Bethke, R., Schiffman, K., Van Acker, K., Poulat, S., Gachon, Y., Von, S. J.
(2003). Progress towards standardisation of ball cratering. Wear, 255, 1-13.
GOST 5950. (2000). Tool alloy steel bars, strips and coils. General specifications. Moscow: Gosudarstvenny
Standart (GOST).
ISO 26424. (2008). Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Determination of the
abrasion resistance of coatings by a micro-scale abrasion test. 1
st
edition. Geneva: International Standard
Organization (ISO).
Kuhn, H., Medlin, D. (Eds.). (2000). Mechanical testing and evaluation. ASM Handbook. Vol. 08. Ohio: ASM
International.
León Sevilla, L. M., Gutiérrez Pineda, J. C., Toro, A. (2004). Relación microestructura resistencia al desgaste de
recubrimientos duros ricos en cromo y tungsteno aplicados por soldadura eléctrica (SMAW). Dyna, 71(144), 165-
171.
López Escobar, I. P., Ortiz Méndez, T. M., Cruz Crespo, A. (2022). Desarrollo de un equipo de ensayo
microabrasivo con esfera rotativa libre para la evaluación de depósitos de recargue. Revista Centro Azúcar, 49(4),
80-90.
Mendez, P. F., Barnes, N., Bell, K., Borle, S. D., Gajapathi, S. S., Guest, S. D., Izadi, H., Gol, A. K, Wood, G.
(2014). Welding processes for wear resistant overlays. Journal of Manufacturing Processes, 16, 4-25.
Ortiz Méndez, T., Cruz Crespo, A., Rodríguez, M. (2019). Efecto del número de pasadas sobre el desempeño al
desgaste micro-abrasivo de depósitos de recargue obtenidos con un electrodo tubular revestido experimental.
Revista Técnica de la Facultad de Ingeniería Universidad del Zulia, 42(1), 19-26.
Rodríguez Torres, Y. (2019) Fabricación de un equipo de ensayo de desgaste microabrasivo con esfera rotativa.
Tesis de grado. Santa Clara: Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas.
Silva, F. J. G., Casais, R. B., Martinho, R. P., Baptista, A. P. M. (2011). Role of abrasive material on micro-
abrasion wear tests. Wear, 271, 2632-2639.
Singla, Y. K., Chhibber, R., Arora, N. (2017). On the microstructure and wear behavior of Fe–xCr–4Mn–3C
hardfacing alloys. Transactions of the Indian Institute of Metals, 70(6), 1555-1561.
Procedimiento de Ensayo de Desgaste Microabrasivo 10
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia, 2024, Vol. 47, e244703
Stachowiak, G. B., Stachowiak, G. W., Brandt, J. M. (2006). Ball-cratering abrasion tests with large abrasive
particles. Tribology International, 39, 1-11.
Stachowiak, G. B., Stachowiak, G. W., Celliers, O. (2005). Ball-cratering abrasion tests of high-Cr white cast
irons. Tribology International, 38, 1076-1087.
Trezona, R. I., Hutchings, I. M. (1999). Three-body abrasive wear testing of soft materials. Wear, 233-235, 209-
221.
Turenne, S., Lavallée, F., Masounave, J. (1989). Matrix microstructure effect on the abrasion wear resistance of
high-chromium white cast iron. Journal of Materials Science, 24, 3021-3028.
Vander Voort, G. F. (Ed.). (2004). Metallography and microstructures. ASM Handbook. Vol. 9. 10
th
Edition.
Ohio: ASM International.
Wang, Q., Li, X. (2010). Effects of Nb, V, and W on microstructure and abrasion resistance of Fe-Cr-C hardfacing
alloys. Welding Journal, 89, 133s-139s.
Editor Asociado: Carlos Francisco Torres Monzón
Departamento de Ciencias Térmicas, Universidad de Los Andes (ULA)
Escuela de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería
Mérida, 5001, Venezuela
Ortiz-Méndez, Tamara María et al. 11
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia, 2024, Vol. 47, e244703
REVISTA TECNICA
DE LA
FACULTAD DE
INGENIERIA
UNIVERSIDAD
DEL ZULIA
Volumen 47. Año 2024, Edición continua
Esta revista fue editada en formato digital y
publicada en mayo 2024, por el Fondo
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