0 Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad deIngenieríaMecánica-Industrial Centro de Investigaciones de Soldadura Trabajo de Diploma Obtención de fundente aglomerado para el recargue, mediante SAW, utilizando mezclas pirometalúrgicas en su conformación Autor: Miguel A. Santana Ramírez Tutor: Dr. Lorenzo Perdomo González Curso: 2016-2017 1 Dedicatoria Este trabajo se lo dedico especialmente a mi madre, a mi padre, a mis hermanas, mi novia Alejandra por haberme apoyado en todo momento y a toda mi familia. 2 Agradecimientos Por ayudarme a desarrollar mi trabajo de diploma y por auxiliarme en los momentos en que más los necesité, les agradezco con el alma: A madre por su dedicación, cariño, comprensión y ayuda en estos años de estudio. A papi por su ayuda y apoyo incondicional. A mis hermanas por comprenderme en los momentos difíciles. A mi novia Alejandra por apoyarme y estar presente en todo momento. A mis abuelos por hacerme sentir un nieto querido por ellos. A mis tíos y tías, por preocuparse por mí, al igual que todos mis primos. A toda mi familia, porque siempre he podido contar con ellos sin importar la distancia. A mis amigos y compañeros de estudios por estar ahí en estos años y no haberme fallado. A mi tutor por guiarme en este trayecto, por ayudarme a ser un mejor estudiante. A Alexis Delgado (La Bala), Misael, Enrique por ayudarme para lograr un buen desarrollo de este trabajo. A todas las personas que me han apoyado y a los que por una razón u otra ya no están, gracias por haber formado parte de mi desarrollo personal y contribuir con mi desarrollo profesional. Muchas Gracias 3 Resumen En el presente trabajo se estudia la obtención de un fundente aglomerado aleado para el recargue mediante soldadura por arco sumergido (SAW). Para el estudio de conformación se utiliza un diseño de experimentos de tipo Mc Lean Anderson, variándose en la mezcla los componentes de la carga de aleación (cromita, pirolusita, grafito y aluminio) y la matriz, estos componentes son aglomerados utilizando una solución de silicato de sodio. Como resultado del diseño se obtuvieron 12 mezclas de fundente de las cuales 7 fueron evaluadas en el proceso de soldadura. De los 7 depósitos obtenidos se seleccionaron 4 como los de mejor comportamiento tecnológico, los que fueron caracterizados químicamente y se les determinó la dureza, así como los parámetros geométricos de los cordones de soldadura y la estructura metalográfica de cada uno de ellos. 4 Abstract In this work, we study the production of alloyed agglomerate flux for submerged arc welding (SAW). For the conformation study, a Mc Lean Anderson type of experimental design is used, the components of the alloy filler (chromite, pyrolite, graphite and aluminum) and the matrix being mixed, these components are agglomerated using a silicate solution of sodium. As a result of the design, 12 flux blends were obtained, of which 7 were evaluated in the welding process. Of the 7 deposits obtained, 4 were selected as those with the best technological performance, which were characterized chemically and were determined the hardness, as well as the geometric parameters of the weld beads and the metallographic structure of each of them. 5 Índice Introducción ............................................................................................................................ 7 Capítulo 1: Fundamentos Teóricos ....................................................................................... 10 1.1Soldadura por arco ....................................................................................................... 10 1.1.1 Las principales ventajas del arco eléctrico .............................................................. 10 1.2 Proceso de Arco Sumergido SAW ............................................................................. 11 1.2.1 Carácteristicas principales del arco sumergido ....................................................... 12 1.2.2 Límites del procedimiento .............................. ¡Error! Marcador no definido.13 1.2.3 Voltaje constante y corriente constente ................................................................... 13 1.2.4Influencia de los parámetros del régimen de soldadura en la forma y dimensión del cordon ..................................................................................................................... 15 1.3 Fundente ..................................................................................................................... 16 1.3.1 Clasificación de los fundentes ................................................................................. 17 1.3.1.1 Fundentes fundidos ........................................................................................... 17 1.3.1.2Fundentes mesclados mecánicamente ............................................................... 17 1.3.1.3 Fundentes aglomerados .................................................................................... 18 1.4 Clasificación de los fundentes aglomerados según su nivel de actividad .................. 18 1.4.1 Fundentes activos ................................................................................................ 18 1.4.2 Fundentes neutros ................................................................................................ 19 1.4.3 Fundentes aleados ................................................................................................ 19 1.5 Influencia de los elementos de aleación ......................................................................... 19 Capítulo 2: Parte experimental ............................................................................................. 21 2.1 Diseño de experimentos ............................................................................................. 21 2.2 Materias primas .......................................................................................................... 22 2.3 Preparación del fundente ........................................................................................... 23 2.4 Secuencia de trabajo. Equipamiento ........................................................................... 23 2.5 Obtención de los depósitos ........................................................................................ 24 2.6Caracterización de los depósitos ................................................................................. 25 2.6.1 Determinación de los parámetros geométricos del cordón .................................. 25 2.6.2 Caracterización química .......................................................................................... 26 Capítulo 3: Análisis de los resultados................................................................................... 27 3.1 Evaluación del fundente y de sus propiedades tecnológicas ...................................... 27 6 3.2 Resultados y análisis de las propiedades de los depósitos ......................................... 30 3.3 Determinación del coeficiente de dilución ................................................................. 32 3.4 Resultado del análisis químico ................................................................................... 34 3.5 Balance de masa ......................................................................................................... 37 3.5.1Cálculo de los calores de reacción ............................................................................ 38 3.6 Calor aportado por la fuente ....................................................................................... 39 3.7 Análisis de la microestructura .................................................................................... 40 Conclusiones ......................................................................................................................... 43 Recomendaciones ................................................................................................................. 44 Referencias ........................................................................................................................... 45 Anexos .................................................................................................................................. 48 7 Introducción El proceso de soldadura por arco sumergido, actualmente identificado como Proceso SAW, aparece en la primera mitad del siglo XX (O'Brien, 2005).La primera patente de un proceso de soldadura bajo una capa de fundente granular fue obtenida por B.S. Rubinoff, en los Estados Unidos, en 1930. Es el Instituto de Soldadura Eléctrica E.O. Patón, en la ex URSS, el que desarrolló y perfeccionó este proceso durante la Segunda Guerra Mundial (Colectivo de autores, 2002). Actualmente existen diversos métodos de recuperación de piezas, entre ellos, en Cuba la soldadura ocupa un lugar importante. En sentido general, el relleno superficial de piezas a partir del uso de los procesos de soldadura está considerado por varios autores como el de mayor versatilidad dentro de los diferentes métodos aplicados con estos fines. Los métodos más difundidos para la recuperación de piezas son: la soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido (SMAW) y la soldadura automática por arco sumergido (SAW) (Colectivo de autores, 2002). La recuperación de piezas por SAW tiene como limitante fundamental que no es aplicable a todo tipo de pieza, el procedimiento encuentra sus mayores aplicaciones en la recuperación de piezas cilíndricas y de superficies planas, teniendo como ventaja fundamental la alta productividad del método (WELDING, 2012; O'Brien,2005). Los fundentes para la recuperación de piezas y soldadura, mediante el proceso de soldadura por arco sumergido (proceso SAW), deben permitir la obtención de depósitos con determinadas propiedades mecánicas. Esto puede ser logrado mediante la acción conjunta de múltiples factores como la composición química, la dureza, microestructura, etc (Vargas, 2012). El proceso SAW brinda ventajas en cuanto a la productividad, economía, calidad de los depósitos, es por eso que tiene una amplia aplicación en el mundo. Nuestro país no está exento a esto, aunque en los últimos años ha sufrido un detrimento en este campo, lo cual debe revertirse en poco tiempo debido a que la recuperación de partes y piezas forma parte de la política de desarrollo de Cuba, materializado en el lineamiento 18 del documento: Actualización de los Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución para el periodo 2016-2021, aprobados en el 7mo Congreso del Partido en abril de 2016 y por la Asamblea Nacional del Poder Popular en julio de 2016. En este http://www.monografias.com/trabajos16/cuba-origenes/cuba-origenes.shtml http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE http://www.monografias.com/trabajos13/mapro/mapro.shtml http://www.monografias.com/trabajos13/mapro/mapro.shtml http://www.monografias.com/trabajos6/prod/prod.shtml http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml 8 documento, el lineamiento 18 señala: Priorizar la reactivación del mantenimiento industrial, incluyendo la producción y recuperación de partes, piezas de repuesto y herramentales(VII Congrso del Partico Comunista de Cuba, 2016). Para llevar a cabo el proceso SAW, se requiere de alambre, fundente y la energía necesaria para que haya un buen depósito, ya sea para soldadura o relleno. Los fundentes de soldadura utilizados para cualquiera de estos propósitos resultan ser materiales granulados fusibles, las cuales forman una capa de escoria que protege la zona del cordón depositado de la atmósfera (ESAB, 2017). Muchos de los fundentes para el relleno superficial de piezas están formados por una matriz y una carga de aleación, estando esta carga formada generalmente por ferroaleaciones y grafito. Sustituir estas ferroaleaciones por una mezcla aluminotérmica(minerales metálicos y aluminio) permite sustituir estos productos de altos precios en el mercado mundial por productos nacionales, por otro lado, la energía aportada por la termita produce un ahorro de energía del proceso de soldadura (Hernández, 2016). Planteamiento del problema No se conoce el comportamiento tecnológico y propiedades del metal depositado mediante proceso SAW, de un fundente aglomerado aleado para el recargue utilizando mezclas pirometalúrgicas en su conformación, donde la matriz está formada por escorias de soldadura del fundente OK flux 1040 y la carga de aleación por una mezcla de cromita refractaria, pirolusita, grafito y aluminio aglomerados con una solución de silicato de sodio. Hipótesis Es factible obtener fundentes aglomerados aleados para el recargue por SAW utilizando como carga de aleación una mezcla aluminotérmica y como matriz escorias de soldadura del fundente OK flux 1040 aglomerados con silicato de sodio, capaz de producir cordones de soldadura de calidad equivalente a los obtenidos con los fundentes tradicionales. 9 Objetivo Obtener un fundente aglomerado aleado para el recargue por SAW con una carga de aleacióncompuesta por una termita y la matriz por escorias de soldadura. Objetivo específicos 1. Estudiar, mediante un diseño de experimentos, la obtención de un fundente aglomerado aleado utilizando escorias de soldadura del fundente OK Flux 1040 como matriz y una mezcla de grafito, cromita, pirolusita y aluminio aglomerados con una solución de silicato de sodio como carga de aleación. 2. Evaluar el comportamiento tecnológico del fundente aglomerado obtenido. 3. Caracterizar los depósitos obtenidos. Tareas 1. Revisión bibliográfica. 2. Estudio de conformación del fundente y su fabricación. 3. Obtención de los depósitos de soldadura 4. Caracterización de los depósitos. 10 Capítulo 1: Fundamentos Teóricos 1.1 Soldadura por arco La soldadura por arco es uno de varios procesos de fusión para la unión de metales. Mediante la aplicación de calor intenso, el metal en la unión entre las dos partes se funde y causa que se entremezclen - directamente, o más comúnmente con el metal de relleno fundido intermedio. Tras el enfriamiento y la solidificación, se crea una unión metalúrgica(Company, 2016 ). A continuación, se muestra una figura en la cual se aprecia las diferentes zonas presentes en el cordón de soldadura. Figura 1.1: Corte macro gráfico transversal de un cordón de soldadura (WELDING, 2012) 1.1.1 Las principales ventajas del arco eléctrico son: - genera una concentración de calor en una zona muy delimitada; - se alcanzan temperaturas muy elevadas (> 5000 ºC); - se puede establecer en atmósferas artificiales; - permite la posibilidad de establecerse en forma visible (arco descubierto) o invisible (arco sumergido o encubierto); - permite la posibilidad de establecerse de diversas formas, estableciendo diferentes métodos de soldeo según el caso (entre la pieza y un electrodo fusible, entre la pieza y un 11 electrodo no fusible, entre dos electrodos fusibles o no fusibles, entre las propias piezas a unir)(Galbarro, 2016; Company, 2016). Existen diversos métodos para ejecutar una soldadura, dentro de ellos se destacan los métodos que utilizan arco eléctrico. A continuación, se muestra un esquema donde se representan estos procesos de soldadura (O'Brien, 2005). Figura 1.2: Procesos de soldadura por arco 1.2 Proceso de Arco Sumergido SAW El proceso SAW se fundamenta en la fusión de un electrodo continuo, macizo o tubular, protegido por la escoria generada por un fundente (granulado o en polvo), con el que se alimenta el arco por separado (Martín, 2008; Colectivo de autores, 2002). Este proceso se caracteriza porque el arco se mantiene sumergido en una masa de fundente, provisto desde una tolva, que se desplaza delante del electrodo. De esta manera el arco resulta invisible, lo que constituye una ventaja pues evita el empleo de elementos de protección contra la radiación infrarrojo y ultravioleta, que son imprescindibles en otros casos. El calor necesario para la fusión se produce por un arco que se forma bajo una capa de fundente en polvo entre un alambre continuo y las piezas a soldar. El hilo macizo se devana a velocidad constante a la tensión del arco según las características particulares del generador. La escoria resultante de la fusión del 12 fundenterecubre el baño líquido y el cordón de soldadura, quedando suelto instantes después de realizado el depósito (Martín, 2008). El fundente no fundido se recupera después del tamizado y la escoria producida generalmente se desecha, aunque existe múltiples trabajos que avalan su reutilización en Cuba no son aprovechadas constituyendo un desecho industrial. Figura 1.3: Corte longitudinal de un cordón de soldadura durante su realización (WELDING, 2012) 1.2.1Características principales del arco sumergido El empleo de la soldadura eléctrica bajo fundente presenta numerosas ventajas propias del procedimiento. Entre ellos hay que citar: • Grandes velocidades de ejecución, obtenidas a partir del empleo de intensidades elevadas de corriente con varios hilos-electrodos. • Poder de penetración elevado que permite reducir considerablemente o suprimir en ciertos casos el chaflanado. 13 • Dominio muy amplio del procedimiento permitiendo su aplicación en los casos más variados: soldadura de chapas delgadas, soldadura de chapas gruesas, soldadura de diferentes aceros, aleaciones o inoxidables, trabajos de recargue y mantenimiento. • Posibilidad, con los productos apropiados, de obtener juntas con excelentes características mecánicas. • Baja emisión de humos(OERLIKON, 2012; Air Liquide,2016). 1.2.2Limitantes del procedimiento Este proceso posee varias desventajas como: • El tiempo de preparación mayor previa es mayor que otros. • algunas soldaduras requieren algún tipo de respaldo para evitar la perforación del metal base. • No permite la soldadura dechapas de poco espesor (inferior a 1,5 mm) teniendo en cuenta la fuerte penetración, está limitada, salvo a disposiciones particulares, a la ejecución de soldaduras situadas a la posición de soldadura plana y horizontal. • No se aplica más que a los aceros al carbono, aleados o no, así como a losaceros inoxidables y refractarios (O'Brien, 2005; AirLiquide, 2016). 1.2.3 Voltaje constante y corriente constante El modo voltaje Constante (CV) es el más común, la fuente de alimentación tiene el voltaje constante. Está asociada a un dispositivo de velocidad de alambre constante y ajustable. La fuente de alimentación aumenta la corriente cuandosereducelalongituddelarcoyreducela corrientecuandoseaumentalalongituddelarco (ver figura 1.4). La tensión está fija en la fuente de alimentación, esto simplifica el ajuste debido a su tendencia de autorregulación, Este modo garantiza una tasa de deposición constante y un cordón de soldadura regular. 14 Figura 1.4: Modo voltaje Constante (CV)(WELDING, 2012). Modo Corriente Constante (CC): Una fuente de alimentación de corriente constante está asociada a un dispositivo en que la velocidad el alambre es controlado por la tensión de arco. La fuente de alimentación aumenta la velocidad de alambre cuando aumenta la tensión de arco y reduce la velocidad de alambre cuando la tensión disminuye (ver figura 1.5). Esto mantiene una tensión de arco bastante constante y longitud de arco, pero no da una tasa de deposición consistente. Este modo garantiza una penetración constante (O'Brien, 2005). Figura 1.5: Modo Corriente Constante (CC)(WELDING, 2012). 15 1.2.4 Influencia de los parámetros del régimen de soldadura en la forma y dimensión del cordón Muchos, concuerdan que la selección de condiciones de soldadura es conveniente tener en cuenta el espesor de chapa y la preparación de junta a soldar, paralograr soldaduras libres de defectos. Los parámetros considerados son(O'Brien, 2005;Tejeda, 2014;Colectivo de autores, 2002): Corriente de soldadura. Con el aumento de la intensidad de la corriente de soldadura aumenta la penetración y la velocidad de deposición. También es importante mencionarque una intensidad excesiva produce un arco penetrante y mordeduras, o un cordón estrecho con refuerzo excesivo, por otro lado, si la intensidad es demasiado baja el arco es inestable y se producirá falta de penetración. Figura 1.6: Influencia de la corriente de soldadura. Tensión de soldadura Al aumentar la tensión se incrementan la dilución y el ancho del cordón, disminuyendo la sobre monta. Al mismo tiempo aumenta la cantidad de fundente que se funde con igual cantidad de alambre. El voltaje determina fundamentalmente la geometría del cordón; por cada volt que se aumente, se está aumentando la potencia de fusión en un 1 % y la dilución en conjunto con el gasto de fundente en un 10%. Figura 1.7: Influencia del voltaje. 16 Velocidad de avance Al aumentar la velocidad de traslación del arco disminuye el calor aportado por unidad de longitud del cordón de soldadura, como también hay menor cantidad de aportación del metal y una disminución del refuerzo del cordón, y este aumento de velocidad de soldeo puede provocar un ligero aumento en la penetración. Por otro lado, si la velocidad es demasiado baja el cordón de soldadura tendrá un refuerzo excesivo que favorece la formación de grietas, y un baño de fusión de grandes dimensiones, con tendencia a formar inclusiones de escoria, y costuras con acabado más pobre. Figura 1.8: Influencia de la velocidad de avance (WELDING, 2012). 1.3Fundentes A manera general el fundente es una mezcla de materiales que se agrega en el proceso de soldadura con el objetivo de proteger la zona fundida de la interacción con el ambiente, al formar una atmósfera protectora inerte para evitar la formación de compuestos químicos indeseables en las superficies fundidas de los metales, limpiar y desoxidar la soldadura fundida, ayuda a controlar las propiedades químicas y mecánicas del metal de aporte en la soldadura (Weld, 2016). 1.3.1Clasificación de los fundentespara SAW La literatura especializada recoge diferentes formas de clasificar los fundentes para la SAW, fundamentalmente de acuerdo a: método de fabricación, aplicación, basicidad, composición química, grado de aleación, estructura, Atendiendo al método de fabricación, los fundentes pueden clasificarse de la siguiente manera. 1- Fundidos (no aleado) http://www.monografias.com/Quimica/index.shtml http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO 17 2- Aglomerados (aleado y no aleado) 3- Mezclas (aleados)(González,2010). 1.3.1.1 Fundentes fundidos. En los fundentes fundidos la materia prima se mezcla en seco y se funde posteriormente en un horno eléctrico a una temperatura entre 1500ºC y 1700ºC. Después de la fusión y de cualquier adición final, la carga del horno es vertida y enfriada. El enfriamiento se produce por el paso de la mezcla fundida a través de una corriente de agua. El resultado es un producto con apariencia cristalina que es triturado y cribado para clasificación según tamaño y envasado. Ventajas de los fundentes fundidos  Buena homogeneidad química.  Fácil eliminación de los finos, sin que afecte la composición del fundente.  Normalmente no higroscópicos, lo que simplifica su manejo y almacenamiento, al mismo tiempo que elimina problemas de soldadura.  Permiten el reciclado, sin cambios significativos en la composición de las partículas.  Adecuados para las más altas velocidades de trabajo en la operación de soldeo. La mayor limitación consiste en la dificultad de añadir desoxidantes y ferroaleaciones durante su fabricación, sin segregaciones o pérdidas elevadas(González,2010). 1.3.1.2Fundentes mezclados mecánicamente Las mezclas mecánicas de fundentes con composiciones diferentes son poco utilizadas, se hacen fundamentalmente con el objetivo de obtener determinadas aleaciones o propiedades específicas en los depósitos metálicos que no es posible obtenerlas con un solo fundente comercial o para formar un sistema alambre-fundente que responda a necesidades o solicitudes de determinados objetos técnicos en producción (Herrera Artiles, 1993). Las mezclas mecánicas de fundentes aglomerados con fundentes fundidos pierden la homogeneidad con facilidad desde su primera reutilización (reciclaje en el http://www.monografias.com/trabajos15/separacion-mezclas/separacion-mezclas.shtml 18 proceso),mientras que las aglomeradas la conservan después de ser reutilizadas varias veces (Herrera Artiles, 1993; 2002). 1.3.1.3Fundentes aglomerados Pueden ser aleados y no aleados, se obtienen a partir de una mezcla de minerales en forma de polvo, mediante la aglomeración con silicato de sodio o de potasio de la carga ya mezclada y homogeneizada con todos los componentes, formando granos que después de sometidos a temperaturas de calcinado y son tamizados y seleccionados según la granulometría necesaria (Potapov, 1989; UTP, 2004). Presentan una superficie muy porosa y suelen ser higroscópicos, por lo que se recomienda que su embalaje sea hermético, además de que se requiere su resecado antes de usarlos o el mantenimiento en ambientes secos. Se distinguen de los fundidos porque: • Aportan mayor cantidad de elementos de aleación al metal depositado. • Se pueden utilizar con alambre no aleados. • Su actividad química es muy variada. Pueden serfundentes activos, neutros o aleados según si aportan algunos elementos de aleación al metal depositado adicional al aporte del alambre consumible, o bien entre fundentes básicos, ácidos, rutilos o mezcla de ellos, según el tipo de escoria que forman y las propiedades mecánicas que favorecen en el metal depositado(González,2010; Potapov, 1989). • El consumo de fundente es menor. 1.4Clasificación de los fundentes aglomeradossegún su nivel de actividad: 1.4.1 Fundentes activos Los fundentes activos son aquellos que causan un cambio sustancial en la composición química final del metal de soldadura cuando el voltaje de soldadura (y por consiguiente la cantidad de fundente) es cambiado. Los fundentes aglomerado generalmente aportan 19 grandes cantidades de magnesio y silicio al material de aporte, incrementando la resistencia, pero cuando se usa fundente activo para hacer soldaduras de multipases, puede ocurrir una excesiva acumulación de estos componentes resultando en una soldadura muy vulnerable a las grietas y las fracturas, los fundentes activos deben ser usados limitadamente en las soldaduras con pasos múltiples, especialmente sobre oxido y escamas metálicas, un cuidado especial en la regulación del voltaje es recomendado cuando se usa este tipo de fundentes en el procedimiento de soldadura con pasos múltiples para evitar la saturación de magnesio y silicio(Weld, 2016). 1.4.2 Fundentes neutros Este tipo de fundente no causa cambios significativos en la composición química del metal de aporte, ni siquiera con variaciones de voltaje. Los fundentes neutros no afectan la fuerza de la soldadura indiferentemente al voltaje o número de pases de soldadura que se apliquen. Como regla general, los fundentes neutros deben ser parte de las especificaciones de las soldaduras con pases múltiples. 1.4.3 Fundentes aleados Contienen una cantidad controlada de elementos de aleación, los cuales producen, con alambres de acero al carbono, metales depositados de aceros aleados. Se utilizan principalmente en soldaduras de recargue, no siendo aconsejables para soldaduras de unión o si se requiere una composición química y/o propiedades mecánicas completamente homogéneas en todas las soldaduras, pues éstas dependerán en gran medida de la cantidad de fundente que se funde en cada momento, que es, a su vez, dependiente de la longitud del arco o del voltaje del mismo. 1.5Influencia de elementos de aleación Los elementos de aleación influyen sobre la microestructura que se desea obtener y sus propiedades tecnológicas y mecánicas. A continuación se plantea la influencia de elementos de aleación más utilizados como componentes de fundentes aglomerados (Guliáev, 1983; Artíles, 2006): 20  Carbono: Influye notablemente, tanto con la dureza que se obtiene como con la estructura de la capa que se aporta, contribuyendo a una mayor resistencia al desgaste y es el elemento principal para la formación de carburos estables. El carbono, a pesar de su afinidad por el oxígeno, cumple la función de desoxidante.  Cromo: Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y la corrosión. Durante el relleno afina el grano y tiene influencias positivas en la obtención de estructuras martensíticas o de grado inferior, así como, en la existencia de la austenita residual y la formación de carburos.  Manganeso: Actúa como un desoxidante y también neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, el moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. El manganeso, presente en el metal depositado, aumenta su templabilidad y la mejora de las propiedades del metal depositado como, resistencia al impacto y al desgaste. El Mn en el fundente, al igual que en el alambre, puede introducirse en los fundentes con el doble propósito de actuar como desoxidante.  Molibdeno: Influye esencialmente en la templabilidad y aumenta también la dureza y resistencia a altas temperaturas, o sea, brida una mayor estabilidad al rojo.  Vanadio: Básicamente ofrece dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia a los impactos y la resistencia a la fatiga. 21 Capítulo 2: Parte experimental 2.1 Diseño de experimentos A partir delos resultados obtenidos en un trabajo previo (Hernández, 2016), se propone realizar un diseño de experimentos donde se varían los niveles de la carga de aleación, para lo cual se realizará un diseño de experimentos de tipo Mc Lean Anderson, determinándose los posibles experimentos a realizar. Como variables de entrada se tienen las siguientes: X1: cantidad de cromita X2: Cantidad de pirolusita X3: Cantidad de grafito X4: Cantidad de matriz Al analizar 4 variables se tiene: N exp= n2n-1= 4.23=32 Por tanto, de acuerdo a la expresión anterior deben realizarse 32 experimentos. Al aplicar la condición de normalidad y las restricciones de niveles, se obtiene que es necesario realizar 12 puntos experimentales. Tabla 2.1: Matriz experimental a desarrollar Punto cromita Pirolusita grafito Matriz Aluminio 1 20 6 3 71 6,1 2 20 6 1 73 6,1 3 2 20 3 75 8 4 2 20 1 77 8 5 20 17 3 60 10,1 6 20 19 1 60 10,9 7 2 15 3 80 5,9 8 2 17 1 80 6,6 9 17 20 3 60 10,7 10 19 20 1 60 9,3 11 11 6 3 80 4,4 12 13 6 1 80 4,8 22 Los niveles de variación de cada una de las variables son determinados a partir de resultados obtenidos por Hernández (2016) y de los requerimientos de composición de los cordones de soldadura. La cantidad de aluminio se determina a partir de la estequiometria de la reacción de reducción entre el aluminio y los óxidos reducibles presentes en los minerales. 2.2 Materias primas Se emplearon materias primas provenientes de varios yacimientos de minerales, algunos productos industriales y residuales sólidos de la industria para la conformación del fundente. Se emplean materias primas como: - Pirolusita que es un mineral de manganeso, procede del Yacimiento Margarita de Cambute en Santiago de Cuba. - Cromita refractaria que es un mineral de cromo de baja ley, empleado en la fabricación de mezclas de moldeo, procede del Yacimiento Cayo Guama, en la Provincia de Holguín. - Aluminio metálico en forma de virutas que se obtienen en el proceso de maquinado en la fábrica de antenas de Santa Clara. - Escoria de soldadura, del proceso SAW, de fundente del fundente OK flux 1040, generadas en la Empresa CONFORMAT de Matanzas. - Silicato de sodio metalúrgico, producido en Sagua La grande, Villa Clara. En la tabla 2.2 se presenta la composición química de las materias primas usadas en el procesamiento. 23 Tabla 2.2: Composición química de las materias primas utilizadas (% masa) Viruta de aluminio Cromita Pirolusita Escorias Comp. Cont. % Comp. Cont. % Comp. Cont. % Comp. Cont. % Si 3,5-4,0 Cr2O3 32,87 Al2O3 1,54 SiO2 34,78 Fe 0,5-0,6 SiO2 5,79 CaO 1,35 MnO 25,15 Mn 0,3-0,35 Al2O3 26,06 Fe2O3 1,51 CaO 13,38 Cu 0,5-0,8 Fe2O3 16,16 MgO 0,3 Al2O3 7,66 Mg 0,3-0,5 CaO 0,42 MnO 0,14 Fe2O3 6,29 Zn 0,5-0,6 MgO 16 MnO2 76,14 MgO 3,88 Al Balance - - K2O 0,24 CaF2 1,31 Grafito - - P2O5 0,02 TiO2 1,43 Comp. Cont. % - - Na2O 0,47 Na2O 1,41 C 100 - - SiO2 5,6 P 0,096 - - - - Humedad 2,08 S 0,04 2.3 Preparación del fundente Primeramente, el aluminio fue tamizado con un tamaño de grano por debajo de 2,5 mm, la escoria de soldadura, la cromita, el grafito y la pirolusita ya se encontraban tamizadas a una granulometría inferior a 0,25 mm. Posteriormente las materias primas fueron pesadas en una balanza técnica con las proporciones según lo indica la matriz experimental. Más tarde estos componentes fueron mezclados durante 30 min en un mezclador rotatorio, para después ser aglomerado con un 20 % de una solución de silicato de sodio.Esta mezcla aglomerada fue secado a temperatura ambiente durante 24 horas y seguidamente secada a 300 °C en una estufa. Luego fue triturada y tamizada entre 0,25 y 2,5 mm de espesor. 2.4 Secuencia de trabajo. Equipamiento  Pesaje: El pesaje de los diferentes componentes se realizó con una balanza técnica.  Mezclado: Esta operación se llevó a cabo en un mezclador rotatorio que cuenta con un recipiente metálico, realizándose la alimentación de los productos en orden ascendente de densidades, el mezclado se realiza durante 30 minutos, colocándose el equipo con una inclinación de 30° respecto a la horizontal.  Secado: Una vez mezclados los diferentes componentes, la mezcla es calentada, en una estufa a la temperatura de 300 °C. 24  Realización del depósito: Con el fundente ya elaborado se efectúan los depósitos en una máquina de soldadura automática ubicada en el propio centro de investigación. En la tabla 2.3 se muestra una foto de este equipo, el cual es del modelo BEM 202.01 del año 1989 y masa de 115 Kg. La fuente de alimentación empleada fue un rectificador de soldadura, sus datos se especifican en la tabla 2.3: Tabla 2.3: Datos de la fuente de alimentación Modelo BAY 50604 Corriente 500 A Tensión 3 - 220 V Frecuencia 60 Hz Ciclo de trabajo 60% Tensión de vacío 85 V Masa 360 Kg Figura 2.1: Equipo para soldadura SAW 2.5 Obtención de los depósitos Los depósitos de soldadura se realizaron sobre una chapa de acero 1020 con un espesor de 8 mm, utilizando el siguiente régimen de trabajo: - velocidad de soldadura o del dispositivo de avance de 0.63 m/min 25 - velocidad de alimentación del alambre de 0.72 m/min - intensidad de la corriente de 400 A - voltaje de 32 V Bajo estas condiciones de trabajo se obtuvieron los cordones correspondientes a los fundentes 1, 2, 3, 5,7, 10, 12. Para determinar los parámetros de operación adecuados, para la soldadura, fue necesario aumentar la velocidad de soldadura y la velocidad de alimentación del alambre ya que el aporte de energía de la termita aumenta la velocidad de consumo del alambre, lo cual trae como consecuencia que se consuma de manera rápida provocando la interrupción del arco. 2.6 Caracterización de los depósitos 2.6.1 Determinación de los parámetros geométricos del cordón En la determinación de los parámetros geométricos del cordón, en el primer paso se cortan los depósitos para obtener probetas de los mismos. El corte se realizó usando disco con refrigeración en el taller de maquinaria ligera de la fundición 9 de abril de Sagua la Grande. Después las probetas pasan por un proceso de preparación mediante operaciones de lijado desde un tamaño de grano de 240 a 600. Luego de preparadas las probetas, son atacadas con Nital al 1%, durante un tiempo de 4 s el cual revela la forma del cordón, proceso realizado en el Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de Soldadura de la UCLV. Las dimensiones del cordón fueron tomadas con ayuda del programa Imagen J y las imágenes fueron realizadas por un escáner de computadora marca Canon, modelo F190500. También por medio del programa Image J se realizan los cálculos del coeficiente de dilución para el estudio del comportamiento del mismo, por lo que es necesario realizar la medición y calcular las áreas de los respectivos depósitos.Para más tarde realizarles la metalografía y hallarles la dureza. 26 2.6.2 Caracterización química El análisis químico fue realizado por Espectrometría de Emisión Atómica (Spectrolab) en un SpectrógrafoBelec Vario Lab en el laboratorio químico de la Empresa Planta Mecánica de Santa Clara. La muestra para el análisis fue preparada por medio de una Fresadora Universal 6P83Ɯ en el taller de maquinaria ligera de la fundición 9 de Abril de Sagua la Grande. Figura 2.2: SpectrógrafoBelec Vario Lab. 27 Capítulo 3: Análisis de los resultados 3.1 Evaluación del fundente y de sus propiedades tecnológicas El comportamiento tecnológico de un fundente durante el proceso de soldadura es de gran importancia. Para realizar esta evaluación se utilizó el criterio de expertos, valorándose los diferentes aspectos en una escala de 1 al 5. A continuación se muestra la tabla 3.1 donde se pueden apreciar los resultados obtenidos con los fundentes evaluados. Tabla 3.1: Resultados promedios en la evaluación de las propiedades tecnológicas en la matriz Depósito Estabilidad de arco Despren- dimiento de escoria Presencia de llama Presencia de humo Presencia de poros o grietas Uniformi- dad del cordón 1 2 4 4 4 2 2 2 2 4 4 4 2 2 3 2 4 4 4 2 2 5 4,5 4 4 4 4 4 7 3 4 4 4 3 3 10 3,5 4 4 4 3,2 3 12 5 4 4 4 5 5 Las figuras 3.1 y 3.2 muestran las fotos de los cordones obtenidos con los fundentes de los puntos 1 y 2 de la tabla 2.1, observándose la gran cantidad de poros y grietas presentes en ellos, ambos puntos presentan una composición muy parecida ya que de acuerdo a la tabla 2.1 sólo se diferencian en el contenido de grafito presente en las mismas. También en ambos casos el arco se mantuvo muy inestable, destacar que el desprendimiento de escoria fue bueno y que la presencia de humos y llamas fue baja. Figura 3.1: Un cordón (Prueba 1) 28 Figura 3.2: Un cordón (Prueba 2) El depósito obtenido con el fundente del punto 3 se muestra en la figura 3.3, punto donde predomina un nivel alto de pirolusita y grafito y bajo de cromita. En este caso también fueron deficientes la estabilidad del arco, la presencia de poros y grietas y la uniformidad del cordón, manteniéndose bien la presencia de humos y llamas yla escoria se desprende con relativa facilidad ya que sólo es necesario suministrarle algunos pequeños golpes. Figura 3.3: Un cordón (Prueba 3) En la figura 3.4 se muestra el depósito del fundente del punto 5. En esta figura se puede apreciar una apariencia superficial relativamente buena, aunque hay presencia de algunos poros son muchos menos frecuentes que en los depósitos analizados anteriormente.La escoria se desprende en su totalidad, pero con la ayuda de pequeños golpes, hay buena estabilidad del arco durante el proceso de soldadura, hay presencia de llama en determinados momentos de la soldadura, sobre todo al final del cordón. Figura 3.4: Un cordón (Prueba 5) 29 En la figura 3.5 se aparece una foto del cordón obtenido con el fundente 7. Como se puede observar en la foto el depósito posee una apariencia superficial regular observándose gran porosidaden las tres cuartas partes del cordón, aunque los poros son más pequeños que los obtenidos con los fundentes 1 y 2. También se observa cierta presencia de llama en determinados momentos de la soldadura, sobre todo al comienzo del cordón, la estabilidad del arco es buena. Figura 3.5: Un cordón (Prueba 7) En la figura 3.6 se muestra una foto del cordón obtenido con el fundente procedente del punto 10. En este caso la estabilidad del arco es regular en la primera mitad para luego tornarse buena hasta el final del cordón, la apariencia superficial es regular debido a la presencia de gran porosidad en la mitad del cordón, hay presencia de llama en determinados momentos, sobre todo al final del cordón. Figura 3.6: Un cordón (Prueba 10) En la figura 3.7 aparece el cordón obtenido con el fundente del punto 12. Como se puede apreciar en la figura el cordón posee una apariencia superficial buena, la escoria se desprende en su totalidad con ayuda de algunos pequeños golpes, pero en este caso la escoria sale estera (no se rompe), no hay presencia de poros, la estabilidad del arco es buena, hay cierta presencia de llama en determinados momentos, sobre todo al final del cordón. Este cordón es el de mejor apariencia superficial entre los evaluados. 30 Figura 3.7: Un cordón (Prueba 12) Si se observan los resultados mostrados en la tabla 3.1 y se comparan con los planificados en la tabla 2.1 se puede observar que los depósitos correspondientes a los puntos 4, 6, 8 y 11 no se realizaron. La decisión anterior se debió a que la composición de estos puntos es muy parecida con otros ensayados por los resultados a obtener deben ser muy cercanos, lo cual fue comprobado al ensayar los puntos 1 y 2 también muy parecidos en composición. 3.2 Resultados y análisis de las propiedades de los depósitos Al analizar los resultados obtenidos del comportamiento tecnológico de los fundentes evaluados, se seleccionaron los puntos 5, 7, 10 y 12 como los de mejores resultados, por lo que fueron caracterizados. En la figura 3.8 que se presentan a continuación se muestra una macrografía de los cordones obtenidos en la que se puede apreciar la penetración y el ancho de la costura, siendo posible observar también la zona de influencia térmica. Las imágenes tomadas permitieron realizar las mediciones de las dimensiones del cordón, determinándose los siguientes elementos: profundidad de fusión o penetración (hp), altura del refuerzo (hr), altura total (H= hp + hr) y ancho de la costura (b), tal como se muestra en la figura 3.9. (Sola, 1998). Los resultados de estas mediciones se muestran en la tabla 3.2, las cuales fueron medidas usando el programa Imagen J. file:///F:/Nueva%20carpeta/Sergio%20Hernánez%20Martínez%20(Trabajo%20de%20diploma).docx%23_ENREF_23 31 Figura 3.8: Fotos de las probetas Figura 3.9: Sección de una costura 32 Tabla 3.2: Resultado de las mediciones. Cordón hp (mm) hr(mm) H (mm) b (mm) 5 2,1 2,3 4,4 16,3 7 2,1 2,7 2,8 13,5 10 0,4 2,8 3,2 14,5 12 2,3 2,5 4,8 17,6 En la tabla 3.5 se aprecia que la penetración varía entre 2,1 y 2,3 con la excepción de la prueba 10 que tiene una penetración de 0,4 mm, la altura del refuerzo varía entre 2,3 y 2,8 siendo la prueba 10 la de mayor altura. El ancho de la costura resulta entre 13,5 y 17,6, siendo la prueba 12 la de mayor ancho y la prueba 7 la de menor. Como se observa en la tabla no se obtiene una regularidad en el comportamiento de los parámetros evaluados en la tabla 3.2, lo cual puede estar relacionado con las propias irregularidades de los cordones de soldadura obtenidos, lo que puede ser observado en las fotos de los mismos (ver figuras 3.1 a 3.7). 3.3 Determinación de los coeficientes de dilución Existen diversas formas de calcular el coeficiente de dilución, el cual puede ser hallado mediante la relación de las áreas representadas en la figura 3.10 [Área del metal de la pieza (Amb) y el Área correspondiente al metal de aporte (Ama)] mediante la relación siguiente (Pérez, 2014): 𝐷 = 𝐴𝑚𝑏 (𝐴𝑚𝑏 + 𝐴𝑚𝑎)⁄ (3.1) Figura 3.10: Representación de las áreas del metal depositado durante el relleno superficial Mediante el software Image Jse determinaron las áreas de los depósitos, seguidamente se calcula el coeficiente por medio de la ecuación 3.1. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 3.3. 33 Tabla 3.3: Áreas de los depósitos y coeficiente de dilución. Depósitos Amb (mm²) Ama (mm²) Dilución (%) 5 18,720 22,510 45,4 7 16,760 17,950 48,3 10 9,060 42,660 17,5 12 23,890 24,300 49,5 Como se demuestra en la tabla 3.3, el coeficiente dilución es prácticamente constante para los depósitos 5, 7 y 12 (entre 45 – 50 %), resultando el depósito 10 como el de menor dilución (17,5 %). De manera general el comportamiento de la dilución puede ser relacionado con el aporte de energía por la termita, obteniéndose que en la medida en que va disminuyendo el aporte (ver tabla 3.8) va a ir disminuyendo la penetración a excepción del depósito 12, el cual no cumple esta regularidad. El comportamiento anormal del depósito 12 puede estar relacionado a que la penetración no fue regular (ver figura 3.8 depósito 12), lo cual puede inducir a errores a la hora de medir el área. Esta irregularidad del cordón puede estar relacionada con las irregularidades de los depósitos señalada anteriormente y pudiera estar también influenciada por una posible falta de homogeneidad de la termita dentro del fundente lo cual pudiera ocasionar que el aporte de energía no sea uniforme a lo largo y ancho de todo el cordón. De manera general se puede señalar que los coeficientes de dilución se mantienen en rangos similares a los obtenidos para fundentes aglomerados aleados usando ferroaleaciones como carga de aleación (Moya, 2014). Posteriormente se ilustra un gráfico donde se muestra la dilución de los depósitos. 34 Figura 3.11: Coeficientes de dilución (%) 3.4 Resultados del análisis químico y dureza En la siguiente tabla 3.4 se muestran los resultados derivados de la composición química de las probetas correspondientes a los depósitos realizados y en la figura 3.12 se grafican los principales elementos de aleación presentes en los depósitos. Tabla 3.4: Resultados del análisis químico. Depósitos 5 7 10 12 C 0,186 0,201 0,132 0,182 Si 2,265 1,048 1,143 0,581 Mn 5,707 3,331 4,391 1,695 P 0,014 0,004 0,013 0,002 S 0,024 0,025 0,014 0,007 Cu 0,628 0,274 0,567 0,204 Al 0,778 0,498 0,273 0,216 Cr 2,561 0,218 2,498 0,600 Mo 0,013 0,010 0,018 0,008 Ni 0,040 ˂0,001 0,039 0,016 V 0,017 0,005 0,015 0,003 Ti 0,004 0,002 0,003 ˂0,001 Nb 0,010 0,003 0,005 0,003 Co 0,065 0,031 0,050 0,020 35 Figura 3.12: Contenidos de carbono, silicio, manganeso, aluminio y cromo de los depósitos En cuanto a los resultados de los análisis químicos realizados a los distintos depósitos se puede apreciar que se obtienen apreciable contenido de manganeso y cromo, elementos de aleación más utilizados como carga de aleación en los fundentes para recargue. Si se comparan los resultados de los análisis químicos realizadosa los depósitos (tabla 3.4) con los datos de conformación de las cargas (tabla 2.1) se puede observar que existe una directa entre las cantidades de óxidos metálicos presentes en los fundentes y los elementos de aleación contenidos en los cordones. De manera general en la medida en que aumenta la cantidad de cromita y pirolusita en los fundentes aumenta la cantidad de Cr y Mn en los cordones, lo cual permite afirmar que se han verificado las reacciones de reducción de los óxidos de Mn y Cr durante el proceso de soldadura, lográndose contenidos de estos elementos en los depósitos equivalentes a los casos en que se usan ferroaleaciones para conformar los fundentes. En el caso del silicio también se observan apreciables contenidos de estos elementos, el cual también proviene de los minerales usados. En cuanto a los contenidos de C, en tres de los 4 depósitos el contenido de C es muy cercano (de 0,18 -0,20 %), en el depósito 10 se obtiene 0,13 %, lo que coincide con uno de los puntos de menor cantidad de grafito, no observándose el mismo comportamiento para el punto 12. 5 7 10 12 C 0.186 0.201 0.132 0.182 Si 2.265 1.048 1.143 0.581 Mn 5.707 3.331 4.391 1.695 Al 0.778 0.498 0.273 0.216 Cr 2.561 0.218 2.498 0.6 0 1 2 3 4 5 6 36 Debe señalarse que los mayores contenidos de P y S obtenidos en los depósitos de soldadura fueron de 0,014 y 0,025 % respectivamente. Estos resultados indican que los componentes de la carga y los elementos metálicos formados durante el proceso de soldadura fueron capaces de realizar las funciones de afino de los cordones de soldadura. En los cordones también se observan determinados contenidos de aluminio y cobre los cuales no deben afectar las propiedades mecánicas de los mismos y son consecuencia del propio proceso ya que el aluminio se adiciona como reductor y el cobre debe provenir del propio aluminio, pasando prácticamente todo al metal. No existe una relación directa entre la cantidad de aluminio en los cordones y la cantidad adicionada a cada una de las mezclas. Si existe una relación directa entre el contenido de cobre en los cordones y la cantidad de aluminio que se adiciona a cada fundente lo cual evidencia que el cobre proviene del aluminio y pasa mayoritariamente a los depósitos. En la tabla 3.5 se ofrecen los resultados de las mediciones de dureza realizados a cada uno de los cordones. Tabla 3.5: Dureza de los depósitos (en HRc). Depósito Dureza Promedio 5 42,5 – 44-46 44,2 7 35-37,5-36,9 36,5 10 43-44,5-44 43,8 12 37,5-39,5-38,5 38,5 En la tabla 3.5 se observa que la dureza varía entre 36 – 44 HRc, resultando el depósito 5 el de mayor dureza seguida por el depósito 10, lo cual coincide con que estos son los depósitos que mayores contenidos de Cr y Mn contienen. Los valores de dureza de alrededor de 44 HRc resultan adecuados para la recuperación de piezas que trabajan en condiciones de desgaste abrasivo, por ejemplo, para la recuperación de rodillos de buldócer donde las durezas no deben ser muy altas para alargar la vida de las cadenas (Laredo, 2016). 37 3.5 Balance de masa En los depósitos de soldadura, con fundente aglomerado aleado, se obtienen diferentes composiciones las cuales dependen del número y cantidad de elementos de aleación que se agreguen al fundente, sin afectar el desempeño tecnológico del fundente. Los óxidos de manganeso, cromo y de hierro, entre otros, reaccionan exotérmicamente con el aluminio desprendiendo gran cantidad de calor, lo que permite la reducción de los óxidos a metal (Mn, Cr y Fe), proceso que debe ocurrir dentro del fundente durante el desarrollo de la soldadura. Se realizará el balance de masa y se determinaran los calores de las reacciones que deben ocurrir a partir de la composición de la carga de aleación de cada uno de los fundentes. Las reacciones químicas principales que deben tener lugar en este proceso se muestran a continuación: 3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3 (3.2) 3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3 (3.3) Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 (3.4) 3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3 (3.5) 3MnO + 2Al = 3Mn + Al2O3 (3.6) MnO2 + 2Mg = Mn + 2MgO (3.7) MnO2 + Si = Mn + SiO2 (3.8) C+1/2O2=CO (3.9) El balance de masa realizado con la ayuda del Excel del paquete Office el cual se muestra en los anexos del 1 al 4. Dicho balance permite predecir la cantidad de metal, así como la composición química del metal producido por la termita. En la tabla 3.6 se muestra las cantidades de metal a generarse por la termita por cada 100 g de fundente. 38 Tabla 3.6:Cantidades teórica de metal a generase por la termita por cada 100 g de fundente (en g y %) Depósitos Metal 5 Metal7 Metal 10 Metal 12 Elementos g % G % g % G % Mn 8,23 46,08 8,22 73,84 9,68 53,39 2,91 33,94 Cr 4,50 25,17 0,45 4,04 4,27 23,57 2,92 34,10 Fe 2,50 13,97 0,44 3,93 2,41 13,30 1,56 18,19 Si 0,98 5,51 0,50 4,47 1,04 5,71 0,51 5,92 Cu 0,30 1,70 0,18 1,59 0,28 1,54 0,14 1,68 C 1,35 7,55 1,35 12,13 0,45 2,48 0,45 5,25 Al 0,004 0,022 0,000 0,000 0,000 0,00 0,078 0,91 Total 17,87 100 11,13 100 18,13 100,00 8,57 100 Como puede apreciarse en la tabla 3.6 cada una de las cargas es capaz de dar composiciones diferentes en los cordones. Esta tabla sólo ofrece la composición que es potencialmente capaz de generar la termita, ya que para determinar la composición del depósito sería necesario tener en cuenta la matriz y la cantidad de alambre consumido, no obstante, permite hacer una valoración inicial de la carga de aleación y sobre todo permite determinar el calor aportado por la termita al proceso de soldadura durante su ejecución. 3.5.1 Cálculo de los calores de reacción El calor de reacción (Qr) es la energía absorbida por un sistema cuando los productos de una reacción se llevan a la misma temperatura de los reactantes. Para una definición completa de los estados termodinámicos de los productos y de los reactantes, es preciso especificar la presión. Si se toma la misma presión para ambos, el calor de reacción es igual al cambio de entalpía del sistema, ΔHr. En este caso se puede escribir: Qr = ΔHr(Cedrón et al., 2011). El calor producido por la termita se determina a partir del análisis de las ecuaciones ya planteadas anteriormente. Según Perry, los calores de formación y las energía libre de los óxidos que intervienen en las reacciones químicas se muestran en la tabla 3.2 (Perry, 1999). 39 Tabla 3.7: Calores de formación de los óxidos. Óxido ΔH (kcal/mol) ΔG (kcal/mol) FeO -64.62 -59.38 Cr2O3 -268.8 -249.3 MnO2 -124.58 -111,49 MnO -92.04 -86.77 SiO2 -203.35 -190.4 MgO -143.84 -136.17 ∆𝐻𝑅 = ∑ 𝑛∆𝐻𝑓𝑝𝑟𝑜𝑑 − ∑ 𝑛∆𝐻𝑓𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐 (3.10) Con la expresión anterior, se determinan los calores de reacción de cada una de las reacciones químicas a ocurrir durante el proceso de soldadura. Estas cantidades de calor son afectadas por la composición de cada una de las termitas que conforman el fundente, siendo factible determinar la cantidad de calor que genera cada una de ellas. Tabla 3.7: Calor suministrado por la termita. Depósito Calor (J) 5 203762,6 7 197710,5 10 141650,7 12 120941,7 3.6 Calor aportado por la fuente Para determinar el calor aportado por la fuente es necesario tomar en consideración los parámetros de trabajo utilizados, corriente y voltaje (Pérez, 2014). Los valores de los parámetros ya fueron descritos en el segundo capítulo. 𝑄 = ɳ ∗ 𝐼𝑠 ∗ 𝑈𝑎 (𝐽/𝑠)(3.11) Donde: ɳ - Factor de aprovechamiento de la fuente (SAW = 0.9) Is - Intensidad de la corriente (A) Ua - Volteje de arco (V) 40 Vs – Avance de la soldadura (cm/s) 𝑄 = 0,9 ∗ 400 ∗ 32 𝑄 = 11520 𝐽/𝑠 El calor aportado por la fuente, energía lineal (El) es: 𝐸𝐿 = 𝑄 𝑉𝑠⁄ (𝐽 𝑐𝑚⁄ ó 𝐽 𝑚𝑚⁄ )(3.12) 𝐸𝐿 = 11520 0,63⁄ 𝐸𝐿 = 18286 𝐽 𝑐𝑚⁄ Tabla 3.8: Calor suministrado por la termita y la fuente para los diferentes depósitos Depósito Calor termita (J) Calor fuente (J) Calor total(J) Aporte (%) 5 203762,6 352919,8 556682,4 36,60 7 197710,5 336462,4 534172,9 37,01 10 141650,7 309033,4 450684,2 31,43 12 120941,7 246861,0 367802,6 32,88 En la tabla 3.8 se resumen la cantidad de calor aportada por cada una de las termitas y por la fuente para los diferentes depósitos realizados. El calor total aportado durante la soldadura es finalmente la suma de ambos calores (termita y fuente). En la tabla se puede apreciar que la termita es capaz de aportar entre un 31 – 37 % del calor requerido para el proceso, aspecto que se traduce en un aumento de la productividad. 3.7 Análisis de la microestructura La trasformación bainítica de la austenitasubenfriada se produce en un intervalo de temperaturas que se encuentran más abajo que el perlítico, pero más arriba que el intervalo martensítico (véase en la figura 3.13)(Guliáev, 1983). 41 Figura 3.13: Superposición de las curvas de enfriamiento, los esquemas de las estructuras y sus durezas aproximadas al diagrama de descomposición isotérmica de la austenita Las figuras 3.14 a 3.17 muestran las microestructuras de los depósitos obtenidos con cada uno de los prototipos de fundentes evaluados. Figura 3.14: Microestructura del depósito 5 Figura 3.15: Microestructura del depósito 7 42 Figura 3.16: Microestructura del depósito 10 Figura 3.17: Microestructura del depósito 12 Con el apoyo del diagrama de la figura 3.13 se puede afirmar que los cuatro depósitos obtenidos presentan una microestructura bainítica, en la cual los depósitos 5 y 10 presentan una microestructura bainítica inferior y los depósitos 7 y 12 presentan una microestructura bainítica superior. Esto se infiere a partir de los valores de dureza que presentan cada uno de los depósitos expuestos anteriormente y de la composición de las aleaciones dada en la tabla 3.5. En todos los depósitos puede aparecer cierta presencia de martensita y austenita residual, dadas por las altas velocidades de enfriamiento que genera condiciones de desequilibrio y el efecto de los elementos de aleación sobre la transformación de la austenita. 43 Conclusiones 1. La incorporación entre un 20 y 40 % de mezcla aluminotérmica (grafito, cromita, pirolusita y aluminio) como carga de aleación de un fundente aglomerado aleado y entre 60 – 80 % de matriz (escorias de soldadura), permitió obtener depósitos de soldadura, mediante el proceso SAW, con un adecuado comportamiento tecnológico. 2. Los fundentes de soldadura seleccionados, por su mejor comportamiento tecnológico permitieron obtener cordones de soldadura con coeficientes de dilución entre 17 – 50 % y un aporte de energía al proceso entre 31 – 37 %, con el consecuente aumento de la productividad del proceso. 3. La realización del proceso de soldadura utilizando fundentes aglomerados con carga de aleación formada por una mezcla de óxidos minerales y aluminio permitió la ocurrencia de las reacciones de oxidación - reducciones necesarias para la garantizar los niveles de elementos de aleación requeridos en los depósitos. 4. Como resultados del proceso se obtuvieron depósitos de soldadura con contenidos de Cr entre 0,2 – 2,5 %, de Mn entre 1,7 – 5,5 %, de C entre 0,13 – 0,20 %, durezas entre 36 y 44 HRc y estructuras de tipo bainítica, similares a las obtenidas con fundentes con carga de aleación formada por ferroaleaciones comerciales. 44 Recomendaciones 1. Realizar un estudio del comportamiento del aporte energético y la transferencia de los elementos de aleación. 2. Evaluar el comportamiento de los depósitos obtenidos mediante ensayos de desgaste abrasivo. 45 Referencias 1. Company, T. L. E. (2016 ). "Fundamentos de Soldadura por Arco." 2. Galbarro, H. R. (2016). "Fundamentos de la Soldadura por Arco Eléctrico ". 3. González, L. P.(2010) "Consideraciones para la obtención de un fundente aglomerado aleado." 4. Colectivo de autores (2002)´Principales Procesos de Soldadura .Grupo de Tecnología de Soldadura y Recuperación de Piezas CIS-UCLV. ". Cuba, CIS- UCLV.". 5. 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