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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.6 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000600010 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°6-2006, pág.: 57-62

MATERIALES

Comportamiento Tribológico de Aceros Inoxidables para Cubertería

Tribologic Behavior of Stainless Steels for Cutlery

José D.B. de Mello (1) y Paulo S. de S. Bálsamo (2)
(1) Universidade Federal de Uberlândia, Lab. de Tribología e Materiais, Faculdade de Engenharia, Mecânica, Bloco 1R,
Uberlândia MG-Brasil (e-mail: ltm-demello@ufu.br)
(2) Acesita S.A., Praça 1° de Maio, 9, Timóteo MG-Brasil (e-mail: pbalsamo@acesita.com.br)


Resumen

Se estudió el comportamiento tribológico de los aceros inoxidables utilizados en cubertería. Se sometieron aceros martensíticos y ferríticos con diferentes contenidos de carbono y cromo a ensayos con micro-abrasión y desgaste por deslizamiento alternado. A pesar de que la composición química haya afectado considerablemente la micro estructura y dureza de las aleaciones, el comportamiento en la abrasión y en el coeficiente de fricción no fueron afectados por estos factores. La velocidad de desgaste por deslizamiento crece con el potencial de contacto, sugiriendo que el desgaste por deslizamiento de estos aceros se asocia con la formación de una capa protectora de óxidos.

Palabras clave: tribologia, cubertería, acero inoxidable, micro-abrasión, desgaste de materiales                                                                             


Abstract

A study was made of the tribologic behavior of stainless steel used in cutlery. Abrasive and sliding wear tests were carried out on martensitic and ferritic stainless steels which had different contents of carbon and chromium. Although the chemical composition and heat treatment considerably modified the microstructure and hardness of the steels, these treatments had no significant effect on abrasion resistance and the friction coefficient. The sliding wear rate grows with the contact potential, suggesting that sliding wear in these steels is associated with the formation of protective oxide coatings

Keywords: tribology, cutlery, stainless steel, micro-abrasion, wear of materials


INTRODUCCION

Los materiales que se emplean en la cabertería deben tener un filo cortante con gran dureza, además de una buena resistencia al desgaste y a la corrosión. De manera general, la resistencia a la corrosión está garantizada mediante el uso de aceros inoxidables cuyo alto contenido de cromo garantiza el adecuado desempeño.

La micro-estructura de estos aceros puede variar desde la completamente ferrítica, hasta la austenítica o martensítica. Esto es obtenido a través de la adecuación de la composición química y/o tratamientos térmicos, además de afectar la dureza y consecuentemente la tenacidad, presenta consecuencias que no son bien conocidas sobre la resistencia al desgaste de estas aleaciones (Rombeaux, 1992; Stüdemann y Esseslburn, 1962 y 1964).

Algunos tipos de acero inoxidable martensítico logran atender estas exigencias además de ofrecer resistencia a la corrosión y tenacidad. El que más se emplea en la cubertería es el acero inoxidable 420A, el cual combina la resistencia a la corrosión, alta dureza y facilidad para su fabricación. Cuando el mantenimiento del filo cortante pasa a ser importante, como en las aplicaciones profesionales, dicho acero presenta deficiencias que exigen el empleo de otros tipos de aceros.

En el caso de los cuchillos industriales, los cuales son el objeto del presente trabajo, los aceros deben presentar todavía una gran resistencia a la corrosión, desgaste por desli zamiento (cuando estén en operación), y a la abrasión (relacionada al afilado de los cuchillos).

Actualmente, los instrumentos cortantes son evaluados internacionalmente por medio de un dispositivo específico reglamentado a través de la norma europea BS EN ISO 8442:1999. En esta prueba, en condiciones controladas, la lámina corta un paquete de papel especial que contiene 5% de partículas de SiO2 en su volumen.

La literatura dentro de esta área es bastante escasa con relación a los tipos principales de desgaste que tienen la capacidad de actuar en condiciones reales de utilización de cuchillos industriales (Takekoshi y Gotoh, 2003).

De esta manera, este trabajo intenta investigar la resistencia al desgaste abrasivo y al deslizamiento de aceros inoxidables potencialmente usados en la cubertería industrial.

TECNICAS EXPERIMENTALES

Los ensayos de desgaste abrasivo se realizaron en un equipo de micro-abrasión de tipo esfera libre (Calowear®-CSM). Se utilizó una esfera de acero inoxidable martensítico con un radio de 10 mm. Se uso lama compuesta de partículas abrasivas (SiC 4,5 µm) suspendidas en agua destilada como medio abrasivo, a una concentración de 0,75 gr de abrasivo por cm3 de agua. El flujo del abrasivo fue fijado a cerca de una gota a cada 3 segundos. La rotación del eje motor se mantuvo a 150 rpm, generando una velocidad de aproximadamente 0,11m.s-1 entre la superficie de la esfera y la muestra. Se obtuvo el coeficiente de desgaste k o tasa de desgaste por medio de la ecuación 1 a partir de los parámetros determinados en los ensayos (Rutherford y Hutchings, 1997; Trezona y Hutchings, 1999; Trezona et al., 1999).

        para b << R                 (1)

En donde b es el diámetro de la huella de desgaste, R es el radio de la esfera, S es la distancia recorrida y N la fuerza normal.

Se describió la metodología para establecer el régimen permanente de desgaste y obtención de los coeficientes de desgaste en trabajos recientes (Silva Jr, 2003; Silva Jr, Binder y de Mello, 2005).

Se realizaron los ensayos de desgaste por deslizamiento en un tribómetro universal (Plint & Partners, modelo TE 67), en la configuración de deslizamiento alternativo, los cuales fueron descritos detalladamente en trabajos recientes (Bozzi, Binder y de Mello, 2002; Milan, Franco, Xavier, Carvalho y de Mello, 2005). Se mantiene una esfera (acero 52100, =5mm) en un montaje pivotado que no se mueve en el plano horizontal. Durante la prueba, la muestra se mueve para adelante y para atrás con una frecuencia (4 Hz) y amplitud (6 mm) conocidas, y la velocidad de deslizamiento varia de un máximo en el centro a cero en las extremidades de cada trayecto.

La fuerza normal aplicada es de 30 N, el potencial de contacto y el coeficiente de fricción se monitorean constantemente a lo largo del ensayo. Los ensayos duraron 2 horas y se ejecutaron en seco, a temperatura ambiente y con humedad relativa de 50%.

El desgaste fue medido por medio de interferometría láser (UBM Micro Focus Expert IV), y rutinas computadorizadas especialmente desarrolladas que permiten el cálculo del volumen de material desgastado a partir de la topografía de la superficie de la muestra desgastada como se describió en trabajo anterior (Milan, Franco, Xavier, Car valho y de Mello, 2005). Se ejecutaron y utilizaron otras topografías para caracterizar la correspondiente a las superficies no desgastadas. Los resultados presentan un promedio de al menos 5 ensayos en cada caso.

Se evaluaron los mecanismos de desgaste actuantes por medio de microscopía electrónica de barrido (LEO 940A), y por un micro-análisis químico por dispersión de energía.

La tabla 1 presenta la composición química de los aceros estudiados.

El acero 410D es ferrítico, se probó en la condición recocida mientras que otros tres aceros restantes, martensíticos, se trataron térmicamente (calentados a una temperatura de 1060º C durante 10 min., enfriados en aire, seguido de un tratamiento subcero en una atmósfera de Nitrógeno durante 30 min.).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las principales propiedades físicas afectadas por el comportamiento tribológico de los aceros estudiados se muestran en la tabla 2.

La gran diferencia de dureza presentada por los aceros martensíticos con relación al ferrítico merece que se resaltar que ay se presentó la superficie más rugosa de todos los materiales ensayados.

La figura 1 muestra el comportamiento del coeficiente de desgaste con el tiempo de ensayo de micro-abrasión.

Se puede observar que los valores son grandes y más dispersos al principio de la prueba.


-a-

-b-

Fig. 1: Establecimiento del régimen permanente de desgaste en micro-abrasión. a- Acero 420A. b- Acero 410D.

A partir de un valor crítico (180 seg.) se alcanza el régimen permanente representado por una evolución casi constante del dicho coeficiente.

El coeficiente medio de desgaste fue determinado por medio de los tres últimos valores del coeficiente de desgaste de cada serie ki, o sea, para los tiempos de 180 seg., 240 seg. y 300 seg.

Como se realizaron tres series de testes (1, 2, 3) por muestra y tres muestras de cada tipo de acero, los resultados presentados son la media de 27 valores.

Se constató que el coeficiente de desgaste promedio k no varia significativamente entre las muestras, figura 2. A pesar de que los aumentos en la dureza (tabla 2) hayan producido coeficientes menores de desgaste, el comportamiento del acero 410 D, ferrítico, merece resaltarse.

Aunque haya presentado menor resistencia a la abrasión, su dureza es casi 5 veces menor que la del acero 420A, el cual mostró la mayor resistencia al desgaste abrasivo.

Tabla 1: Composición química de los aceros.

Acero

C (%)

Mn (% )

Si (%)

Cr (%)

Ni (%)

S (%)

Mo (%)

N2 (ppm)

410 D

0,011

0,567

0,480

10,98

0,38

0,002

0,009

186

420 A

0,325

0,165

0,450

12,25

0,15

0,001

0,017

74

420 D

0,201

0,180

0,460

12,17

0,15

0,001

0,021

107

498 A

0,425

0,166

0,470

13,22

0,15

0,001

0,528

306

Tabla 2: Propiedades físicas y tribológicas de los aceros.

ACERO

Dureza
(Kgf.mm-2)

Rq
(µm)

Coef. de desgaste
(m2.N-1) x 10-12

Tasa de desgaste
(µm3.mm-1)

Coeficiente de fricción

Pot. Contacto (mV)

410D

145±04

0,49±0,05

2,28±0,30

0,152±0,132

0,57±0,09

11,68±6,72

420A

671±22

0,27±0,04

1,96±0,19

0,021±0,016

0,55±0,07

5,20±0,07

420D

544±24

0,22±0,03

2,18±0,23

0,255±0,107

0,62±0,07

19,20±0,07

498A

604±21

0,33±0,06

2,15±0,18

0,123±0,032

0,60±0,07

11,30±0,07



Fig. 2: Coeficientes de desgaste en micro-abrasión

Los análisis del MEB mostraron, figura 3, que el mismo mecanismo de desgaste actuó en todas las muestras estudiadas.

Se observa la presencia dominante de las huellas repetidas que son características del mecanismo de rodadura de las partículas abrasivas en la interfase (Rutherford y Hutchings, 1997; Trezona y Hutchings, 1999; Trezona et al., 1999; Silva Jr, 2003; Silva Jr, Binder y de Mello, 2005). La constancia del mecanismo no explica la gran diferencia de comportamiento.

Al intentar aclarar este mecanismo, se efectuaron los perfiles de micro-dureza en secciones transversales de los cuerpos de prueba en las regiones adyacentes al fondo de las huellas de desgaste, Figura 4.

Se puede constatar que la evolución de la dureza del acero 420A, martensítico, es prácticamente constante a lo largo del perfil.


-a-
-b-

Fig. 3: Aspectos típicos de las superficies después de la micro-abrasión. a- 410 D. b- 420A.

La muestra 410D, a pesar que presenta una pequeña dureza (160 HV), sufrió un endurecimiento superficial significativo (cerca de 25%), por profundidades considerables (200 µm).

Esta capacidad de endurecimiento por deformación podría explicar la buena resistencia a la abrasión de esta aleación, como esta informado por Zum Gahr, 1987 en la literatura.

Fig.4: Perfiles de micro-dureza en secciones transversales a partir del fondo de la huella de desgaste generada por la micro-abrasión.

La figura 5 muestra el comportamiento tribológico en ensayos de desgaste por deslizamiento. En este caso, se puede observar una variación significativa de la resistencia al desgaste por deslizamiento que crece en la secuencia 420D, 410D, 498A, 420A, de la figura 5-a. Sin embargo, el coeficiente de fricción se presenta como equivalente para todos los aceros estudiados, figura 5-b

Nuevamente, no fue posible correlacionar los valores de la tasa de desgaste con la dureza del material.

De la misma manera, no se encontró ninguna relación consistente con la topografía de los aceros representada por la rugosidad.

Se puede constatar que la tasa de desgaste crece con el potencial de contacto, figura 6.

Este parámetro indica la presencia (formación) de óxidos en la interfase de deslizamiento, lo cual se confirmó mediante el análisis del MEB. Se observó la formación de regiones oscuras en el rastro del desgaste en todas las muestras. Estas están constituidas por óxidos, como lo confirmaran los espectros de energía dispersiva. De esta manera, se puede concluir que el desgaste por deslizamiento de estos aceros está asociado a la formación de una capa protectora de óxidos.

A pesar que los resultados presentes indican una posible correlación con la cantidad de óxidos formados, los estudios en curso intentan correlacionar la tasa del desgaste con la naturaleza del óxido formado.


-a-
-b-

Fig. 5: Comportamiento tribológico en ensayos de deslizamiento. a – Tasa de desgaste. b – Coeficiente de fricción.


Fig. 6: Influencia del potencial de contacto en la tasa de desgaste por deslizamiento de los aceros estudiados.

CONCLUSIONES

1- El coeficiente de desgaste medio k en micro-abrasión no varia significativamente entre las muestras;

2- El acero ferrítico presentó un desempeño comparable al martensítico, a pesar de su dureza menor;

3- El mecanismo de desgaste dominante en la micro-abrasión fue el de huellas repetidas que son características del rodamiento de las partículas abrasivas en la interfase;

4- Los perfiles de micro-dureza en las secciones transversales de los cuerpos de la prueba muestran que el acero 410D sufrió un endurecimiento superficial significativo. Esta capacidad de endurecimiento por deformación puede explicar la buena resistencia a la abrasión de está aleación;

5- Se observó una variación significativa de la resistencia al desgaste por deslizamiento que crece en la secuencia 420D, 410D, 498A y 420A. No obstante, el coeficiente de fricción permanece constante;

6- La tasa de desgaste por deslizamiento crece con el potencial de contacto, sugiriendo que el desgaste por deslizamiento de estos aceros se asocia con la formación de una capa protectora de óxidos.

REFERENCIAS

Bozzi, A. C., R. Binder y J. D. B. de Mello, Effect of Industrial Processing Parameters on the Surface Durability of Steam Oxidised Sintered Iron, Actas del 6th International Tribology Conference -AUSTRIB'02, 1, 383-390, Perth, Australia (2002).        [ Links ]

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