FABRICACIÓN Y VALIDACIÓN DE MÁQUINA PARA ENSAYO DE EROSIÓN HÚMEDA

En las condiciones del Centro de Investigaciones de Soldadura (CIS), los equipos de ensayo reportados por Wei-ke et al., (2009), por Sampathkumaran et al., (2009) y por Javaheria et al., (2018), resultan los más viables, dada su sencillez en la fabricación y la versatilidad que permite en el ensayo. En esencia ambos equipos son similares y consisten en ensayar muestras que rotan en un soporte inmerso en un líquido con partículas abrasivas en suspensión.

El Laboratorio de Tribología y Materiales del CIS cuenta con un agitador de velocidad variable que va desde 50 rpm hasta 2500 rpm, el cual presenta un portaherramientas para el acople del dispositivo agitador. En tal caso, se hace necesario fabricar un dispositivo portamuestras que se acople al portaherramientas del agitador y que al girar agite las partículas en suspensión dentro del líquido en un recipiente, las cuales impactarían sobre la superficie de las muestras.

El dispositivo agitador portamuestras se decide fabricar en forma de T, el cual se acopla al portaherramientas del agitador de revoluciones variables y en los extremos de los brazos horizontales lleva dos portamuestras en forma de cajas, donde se colocan las probetas a ensayar. El dispositivo se sitúa para el ensayo dentro de un recipiente cilíndrico, el cual contiene un líquido con abrasivo en suspensión y al girar a determinada velocidad ocurre el impacto de las partículas abrasivas contra la superficie de las probetas bajo ensayo.

El portamuestras en forma de paletas no crea ningún flujo vertical y por consiguiente es un mezclador pobre, pero sí provee el alto esfuerzo cortante necesario para mantener las partículas en suspensión. El líquido, movido por el portamuestras, localizado en la línea central del recipiente, causará un flujo ideal, con líneas de corriente uniformes y en la misma dirección de giro de las probetas, que garantiza que los ángulos de impacto de las partículas sean cercanos a 90^o y que pueda describirse mediante la teoría de flujo potencial simple en coordenadas cilíndricas. El aspecto dominante del sistema es la aceleración centrífuga, la cual mantendrá el mayor número de partículas cerca de la superficie interior del depósito y así garantizará el impacto de estas con las probetas de ensayo (Kreith, 1999).

Es evidente que las partículas, dadas sus diferencias de forma y tamaño, no describen un flujo uniforme, al tiempo que las colisiones entre partículas también alteran su dirección de desplazamiento. Esto se hace mayor en la medida que aumenta la velocidad de rotación.

Si se desea obtener un flujo con una mayor turbulencia dentro del depósito, y una menor uniformidad de impacto de las partículas; es decir, un aumento de los ángulos de impacto, pueden ser colocadas pantallas dentro del depósito.

El dispositivo (figura 1) se fabrica de acero inoxidable martensítico, por ser un material resistente a la corrosión y por consiguiente soportar las condiciones corrosivas propias del ambiente húmedo. En los portamuestras se coloca un tornillo de fijación que le permite colocar muestras de un tamaño de 38x38 mm o menores. El ensamble del dispositivo se realiza por soldadura. El dispositivo presenta las siguientes dimensiones principales:

Con el equipo de ensayo concebido se pueden controlar: La velocidad de impacto de las partículas, el tiempo de ensayo, la concentración de partículas, el tipo de abrasivo, la forma y tamaño de las partículas, el tipo de medio líquido, la temperatura del líquido, la topografía de las probetas, el material de las probetas.

Para medir el desgaste se utiliza el criterio de la pérdida de masa durante el ensayo. Para ello las probetas son pesadas antes y al final de los ensayos en una balanza analítica (con resolución de 1 mg).

Los ensayos de desgaste fueron realizados con el propósito de validar el equipo que se muestra en la figura 2. Estos se ejecutaron de forma comparativa entre un recubrimiento obtenido por soldadura con electrodo revestido y muestras de un alabe de un extractor. El recubrimiento fue obtenido con electrodo revestido de recargue UTP 711B (UTP-Bohler, 2015), de 4 mm de diámetro, utilizando una corriente de 110 A, con corriente continua y polaridad inversa (CC+). Tanto el recubrimiento, como el álabe de extractor, se corresponden con una fundición blanca de alto cromo.

En los ensayos fue utilizada una concentración de la suspensión abrasiva de arena sílice en agua de 2:1 (2 kg_abrasivo/1kg_agua). Dichos ensayos fueron realizados para un tiempo de 60 min, con una velocidad de rotación del dispositivo portamuestras de 400 rpm, de 500 rpm y de 600 rpm.

Las muestras (tres muestras para cada condición de ensayo) fueron preparadas mediante desbaste y pulido. Previo a cada ensayo las muestras fueron lavadas en un baño de ultrasonido con alcohol y pesadas en una balanza analítica. Dado que el dispositivo tiene dos portamuestras, en cada ensayo fueron ensayadas dos muestras simultáneamente. Luego de cada ensayo, las muestras fueron lavadas en baño de ultrasonido con alcohol y pesadas en una balanza analítica.

La arena durante los ensayos no fue reutilizada. Con el propósito de evaluar las modificaciones que experimentó la arena, fue realizado un análisis granulométrico y de formato de la arena antes de ensayar y luego de cada condición de ensayo. Muestras de arena de cada una de las velocidades ensayadas y una muestra de la arena sin ensayar fueron secadas durante 2 horas en una estufa a 120 ^oC y luego fueron tamizadas. También les fueron adquiridas imágenes digitales en un microscopio de bajo aumento. A partir de las imágenes digitales, la morfología de los granos fue evaluada con el empleo de software ImageJ.

Las fuerzas distribuidas, producidas por la acción de un fluido sobre un área finita, pueden reemplazarse convenientemente por una fuerza resultante, en lo que respecta a las reacciones externas al sistema de fuerzas. Para el dispositivo diseñado se desprecia la fuerza de arrastre proporcionada por el vástago en forma de T, debido a su forma cilíndrica. Solo se calcula la resistencia ocasionada por el portaprobetas, ya que es el área mayor y de una configuración cuadrada, originando resistencia apreciable al movimiento ante el fluido. Para realizar el cálculo fue empleada la fórmula de resistencia de arrastre para áreas planas (Kreith, 1999); (Streeter, 1999):

Es calculada la fuerza de arrastre para una velocidad de giro del portaprobetas de 2500 rpm, por ser la máxima que puede alcanzar el agitador de revoluciones variables del Laboratorio de Tribología y Materiales. Como resultado se obtiene una Fuerza de Arrastre de 174,7 N.

Con el empleo del software Autodesk Inventor se simula el dispositivo de ensayos para erosión húmeda. Para la simulación, en el centro de cada portamuestras fue aplicada la carga, previamente calculada (174,7 N). Fue empleado un mallado medio, considerando el apoyo en el eje vertical del dispositivo.

En la simulación se observa un pequeño desplazamiento en los extremos de los portamuestras, alcanzando su máximo valor en 1,48 mm. Esta pequeña variación no pone en riesgos los objetivos del dispositivo (Figura 3a). También se observa que las zonas más cargada son los extremos interiores de los portamuestras, alcanzando un valor de factor de seguridad de 4 (Figura 3b), lo que confirma que el dispositivo resiste la carga y puede cumplir su función.

En base a los resultados de los ensayos de desgaste erosivo se ha construido la gráfica del efecto de la velocidad de rotación sobre el desgaste (Figura 4). Se observa que al aumentar la velocidad de rotación del portamuestras el desgaste manifiesta un comportamiento de tendencia parabólica, pasando por un valor mínimo en 500 rpm. Tal tendencia se vincula al número de impactos sobre la superficie de la muestra en la unidad de tiempo, al ángulo de los impactos y a la energía cinética de la partícula que impacta. Al aumentar la velocidad de 400 rpm para 500 rpm el número de impactos disminuye porque hay mayores colisiones entre partículas que las desvían de su trayectoria. Luego, por encima de 500 rpm, los impactos, que aún pueden ser menos, porque ha aumentado aún más la colisión entre partículas, son de ángulos mayores porque ha aumentado la turbulencia del fluido, a la vez que la energía cinética de la partícula que impacta también es mayor, generando mayores tensiones de contacto en la superficie que conduce a una mayor pérdida de material.

Se hace notar que, al aumentar la velocidad de giro el recorrido total de las muestras ha aumentado, ya que el tiempo de ensayo ha sido el mismo, pero ello no ha sido el aspecto gobernante, siendo esto una cierta confirmación de que con el aumento de la velocidad aumenta el número de colisiones entre partículas.

Las colisiones entre partículas y de estas con la superficie de la muestra pueden fragmentarlas o transformar su formato. Del análisis granulométrico realizado se obtuvo que antes del ensayo la distribución de por cientos de masa tiene carácter mononodal, el cual se mantuvo luego de cada condición de ensayo. En la tabla 1 se muestran los resultados de los momentos estadísticos de las distribuciones granulométricas, determinados según ASTM C 136 (2014). Todas las muestras de arena presentan un buen sorteo en correspondencia con sus valores de dispersión. De acuerdo con los valores del criterio de oblicuida, la muestra de arena sin ensayar presenta mayor concentración de facciones gruesas, mientras para las ensayadas hay un exceso de fracciones finas. Este hecho evidencia que han habido modificaciones en la distribución granulométrica de la arena bajo las condiciones de ensayo y que la mayor concentración de fracciones finas dentro de las muestras ensayadas corresponde a la de 400 rpm. De acuerdo con el valor de kurtosis, en todos los casos las curvas son mesocúrticas, ya que presentan una concentración normal en la región central de la distribución. El valor máximo (d_máx), que representa el tamaño de grano que más abunda en el colectivo granulométrico, es mayor en la muestra de arena sin ensayar, mientras que las muestras de 500 y 600 rpm toman un valor medio y la muestra ensayada con 400 rpm toma el menor valor.

La mayor concentración de fracciones finas (menor valor de S_k y d_máx) de la arena del ensayo con 400 rpm (Tabla 1), puede ser interpretada como una evidencia de que a bajas velocidades de rotación los impactos de las partículas con la superficie de la muestra son mayores (menores colisiones entre partículas), conduciendo a su mayor fragmentación.

A partir de imágenes digitales de muestras de granos de arena para cada condición de ensayo y sin ensayar, fueron determinados la circularidad y el redondeo de las partículas con empleo del software (Tabla 1). Se observa que el formato de las partículas para 400 rpm y 600 rpm, relativamente se mantiene en relación a la muestra sin ensayar. Para la velocidad de 500 rpm se ha obtenido el mayor valor de redondeo de las partículas, que es precisamente la velocidad de ensayo para la que se obtiene el menor valor de desgaste (Figura 4). Este hecho confirma que, en el ensayo, producto de las colisiones entre partículas y de estas con la superficie, ocurre la variación de su forma y que esto encuentra su expresión en los resultados del desgaste.

De la gráfica de la figura 4 se hace visible también que el recubrimiento obtenido por soldadura es ligeramente menos resistente al desgaste que el material del álabe del extractor. Ello puede interpretarse como que la recuperación de un álabe desgastado mediante recargue por soldadura con ese electrodo no restituye sus propiedades totalmente, aunque obviamente permite prorrogar su vida útil.