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Determinacion del Desgaste por Erosion en Materiales Recubiertos.

Determining Wear by Erosion in Coated Materials

INTRODUCCION

El estudio del desgaste y la friccion, constituyen uno de los ultimos aspectos de la mecanica clasica que aun presenta interrogantes abiertos importantes. Bajo la optica de la ingenieria, su importancia esta en aumento, en funcion de las cargas impuestas a los componentes mecanicos, la disminucion constante de las tolerancias permitidas en los procesos de fabricacion, asi como las crecientes restricciones en cuanto a la emision de contaminantes, tambien colocan desafios a la relativa nueva ciencia de la tribologia (Aperador et al., 2010; Caicedo et al., 2012; Aperador et al., 2011a).

El desgaste por erosion, entendido como el dano provocado por el impacto de particulas duras presentes en un fluido, afecta equipos como turbinas, bombas, tuberias y otros dispositivos que transportan fluidos y los cuales pueden estar sometidos a cambios bruscos de presion, provocando efectos como erosion de superficies solidas, vibraciones, ruidos excesivos, disminucion de eficiencia y otros, lo que finalmente se traduce en enormes gastos por reparo o reposicion de este tipo de equipos (Aperador et al., 2011a; Aperador et al., 2011; Holmberg, Matthews y Ronkainen, 1998). La erosion (particulas al azar) es una forma de desgaste por impacto que puede ocurrir por chorros y flujos de particulas solidas pequenas transportadas por un fluido, en general aire o agua, o tambien por gotas liquidas. La percusion ocurre por impactos repetidos de cuerpos solidos de tamano mayor. (Gee et al., 2014)

Actualmente los nuevos materiales se han convertido en el atractivo de multiples aplicaciones a nivel industrial. Dentro de estos nuevos materiales encontramos los recubrimientos duros, estos han sido desarrollados con el fin de aumentar la vida util de algunos elementos industriales, minimizando asi los tiempos de produccion, costos e interrupciones por mantenimiento. Entre las tecnicas mas empleadas para la obtencion de dichos recubrimientos esta la deposicion fisica fase vapor (PVD), en donde el material que formara el recubrimiento se evapora y posteriormente condensa en forma de una capa sobre el sustrato (Junhua, Geyang y Mingyuan, 2000; Yashar y Sproul, 1999; Caicedo et al., 2010; Nieto et al., 2009). El desgaste es un problema al que se ve enfrentado algunos elementos utiles en la industria del transporte de fluidos, como partes de motobombas, en algunos casos estos fluidos son sustancias agresivas que ademas contienen particulas en suspension, que pueden ser causantes de fenomenos de deterioro como lo es la erosion. (Aperador et al. 2014)

Los recubrimientos duros se encuentran aplicados a distintas ramas de la industria tales como la automotriz, aeronautica, transporte de fluidos, mineria y la industria petrolera. Mediante la aplicacion de recubrimientos duros a partes utiles a la industria, es posible incrementar su dureza, disminuir el coeficiente de friccion, aumentar la resistencia al desgaste y a la fatiga, con lo que se logra un incremento en la vida util de dicha parte que puede significar un aumento en la produccion de una empresa (Chu y Barnett, 1995; Barshilia et al., 2007; Barshilia et al., 2009; Jehn, 2000; Bautista, Aperador y Espana, 2011; Caicedo et al., 2011). En este trabajo se desarrolla una herramienta sistematizada que permite calcular la tasa de desgaste de materiales metalicos recubiertos mediante monocapas de TiN y CrN, depositados por medio de la tecnica PVD sobre un substrato de acero 4140, se realizo la comparacion entre lo obtenido de forma experimental y lo hallado en la simulacion, generando una correlacion adecuada.

TASA DE EROSION

La tasa de erosion de una superficie ceramica expuesta a un flujo de lodo abrasivo se puede expresar como el producto de la tasa de erosion caracteristica [(ER).sub.c] por la funcion adimensional de tasa local de erosion E([theta], ...) [aproximadamente igual a] [[barra.E].sub.lim], suponiendo que la poblacion de particulas en el lodo es tan grande que todas fluyen con una trayectoria cercana a una linea recta, a una velocidad aproximada a la velocidad de la corriente principal [V.sub.p] [aproximadamente igual a] [U.sub.y] a un angulo local de incidencia [[theta].sub.i] [aproximadamente igual a] [theta] (Rosner et al., 1994; Rosner, Tandon y Labuwaky, 1995).

ER = [(ER).sub.c] x E([theta], ...) (1)

La tasa de erosion caracteristica se da en un ambiente donde todas las particulas abrasivas de la corriente principal poseen un tamano promedio e impactan el objetivo ceramicocon una incidencia normal y una velocidad disminuida. (Khalil y Rosner, 1996)

[(ER).sub.c] [equivalente a] [[epsilon].sub.p](U, 0, [[barra.v].sub.p.[infinito]]) x [([[barra.v].sub.p][N.sub.p]U).sub.[infinito]] (2)

Donde [[epsilon].sub.p] es el rendimiento especifico a la erosion evaluado a la velocidad de la corriente principal U, a un angulo de incidencia normal un volumen de particula abrasiva [[barra.v].sub.p.[infinito]], y [([[barra.v].sub.p][N.sub.p]).sub.[infinito]] es la fraccion de volumen de la corriente principal [[phi].sub.p.[infinito]]. El volumen promedio de material ceramico removido por unidad de volumen de las particulas abrasivas impactadas puede calcularse de la siguiente manera: (Khalil y Rosner, 1996)

[expresion matematica irreproducible] (3)

El [[epsilon].sub.p.ref.] es el valor de [[epsilon].sub.p] evaluado a una velocidad de impacto de la particula [V.sub.p] = 100 [ms.sup.-1,] a un angulo de incidencia [[theta].sub.i] = 0[grados] y un volumen de particula [v.sub.p] correspondiente a un diametro de particula de [d.sub.p] = 100 [micron]m debido a que [v.sub.p] = ([pi]/6) x [d.sup.3.sub.p]. Los parametros de erosion l, m, n son exponentes adimensionales que describen la sensibilidad del rendimiento a la erosion respecto al tamano de la particula, al angulo de incidencia y a la velocidad de incidencia de la particula respectivamente. (Bitter, 1963; Crowley, 1969; Finnie, 1960; Keairns, Yang y Vaux 1979)

Los valores de los parametros de erosion [[epsilon].sub.p.ref], l, m, n se encuentran en la tabla 1,en la cual se resumen los resultados experimentales del rendimiento a la erosion de una variedad de recubrimientos ceramicos/particulas abrasivas para una temperatura cercana a 300 K. (Gulden, 1979; Wang, She y Ma 1995; Liebhard, 1994; Head y Harr 1994; Wiederhorn y Roberts 1976)

El valor de n es especifico a la velocidad de la particula y esta normalizado por n [equivalente a] d(ln [[epsilon].sub.p])/d(ln[V.sub.p]) y frecuentemente toma un valor de 2,3. A diferencia el exponente l es especifico al volumen de la particula y esta dado por l [equivalente a] d(ln [[epsilon].sub.p])/d(ln [v.sub.p]) y su valor usual es 1,2. En cuanto a m se tiene que ya se encuentra normalizado debido a que cos[([[theta].sub.i]).sup.m] = 1 cuando [[theta].sub.i] = 0, este parametro posee valores entre 0,5 y 3,5 habitualmente. (Rosner, Tandon y Labuwsky, 1995). Mientras que la carga masica de la particula [[omega].sub.p] en la corriente principal no sea muy pequena, la fraccion de volumen [[phi].sub.p. Corresponde a la densidad del numero total de particulas [N.sub.p] y al volumen medio de las particulas [[barra.v].sub.p].

[[phi].sub.p.[infinito]] = [[rho].sub.slurry] x [[omega].sub.p/[[rho].sub.p] (4)

Donde [[rho].sub.slurry] es la densidad del medio corrosivo (solido/liquido o solido/gas), [[omega].sub.p] la carga masica de la particula (masa particula abrasiva/masa del fluido) y [[rho].sub.p] la densidad intrinseca de la particula. Finalmente la tasa de erosion local puede ser calculada multiplicando la [(ER).sub.C] por el [E.sub.lim] = cos [[theta].sup.m+1] y por la siguiente serie de potencias que representa el valor promedio de la tasa de erosion. (Rosner et al., 1994).

[[barra.E].sub.lim] [aproximadamente igual a] (2/[pi]) + [(11/16) - (8/(3[pi]))] x m + [(2/(3[pi])) - (3/16)] x [m.sup.2] (5)

METODOLOGIA

Con el modelo matematico descrito anteriormente se implemento un aplicativo para estimar la erosion en una pieza recubierta con un material ceramico y graficar la erosion respecto al angulo de incidencia en el que se encuentre dicha pieza, como se describe en la figura 1. La aplicacion fue realizada en SharpDevelop 4.2 el cual es un entorno de desarrollo integrado libre para lenguaje C#. Adicionalmente el programa hace uso de las librerias de codigo abierto, MySql para hacer gestion de una base de datos que contiene los parametros de erosion [[epsilon].sub.p.ref], l, m, n y ZedGraph para graficar datos en 2D.

En la figura 2 se observa la aplicacion, que consta de TrackBars para que el usuario ingrese los datos de entrada, tambien el usuario debe escoger el tipo de recubrimiento ceramico y la particula abrasiva que se encuentran almacenados en una base de datos por medio de un ComboBox, con estos datos el programa realiza los calculos internamente y obtiene los datos necesarios para estimar la tasa de erosion. Los resultados se visualizan en TextBox y por medio de la grafica de erosion local respecto al angulo de incidencia.

Detalle experimental

Se depositaron peliculas delgadas de CrN y TiN sobre sustratos de acero AISI 4140 mediante un sistema de radio frecuencia. (13,56 MHz) magnetron sputtering con Ar (99,9% de pureza) como gas de trabajo. Para la deposicion de los recubrimientos se utilizaron blancos de 4 pulgadas de diametro de Ti y Cr con una pureza del 99,9%. La presion base al interior de la camara de vacio fue de 7,0x[10.sup.-6] mbar. Antes de iniciar la deposicion los sustratos fueron sometidos a una limpieza por plasma durante 20 minutos en atmosfera de Ar a un bias de -400V en r.f. Durante el crecimiento, los gases de trabajo fueron una mezcla de Ar (93%) y [N.sub.2] (7%) con una presion total de trabajo de 6x[10.sup.-3] mbar a una temperatura del sustrato de 300[grados]C y un bias r.f del sustrato de -70V y una potencia de 350W.

La evaluacion del fenomeno erosivo se realizo utilizando proteccion catodica de 1V catodico con respecto al potencial de circuito abierto del recubrimiento, de acuerdo a la norma ASTM G 119-93, e inmersos en un lodo compuesto por 3.5% NaCl y 20% de particulas de Si[O.sub.2], a velocidades de impacto de 11.12m/[s.sup.2], impuestas por el impeler del sistema y angulo de impacto de 90[grados]. La proteccion catodica fue suministrada por un potenciostato.

RESULTADOS Y ANALISIS

Los resultados experimentales de los ensayos de desgaste se encuentran recopilados en las tablas 2 y 3, para poder comparar los datos practicos con los teoricos se efectuaron conversiones a los datos experimentales para que fueran consistentes con las unidades usadas por el software. Haciendo el promedio de las diferentes tasas de erosion entregadas por la experimentacion tenemos que los recubrimientos TiN y CrN tienen una tasa de erosion de 3,04 mm/ano y 3,01 mm/ano respectivamente.

De las pruebas experimentales se tomaron los datos consignados en la tabla 4 para las variables de entrada del software. Adicionalmente, para realizar la comparacion se tuvo que actualizar la base de datos agregando los nuevos pares de recubrimiento y particula abrasiva como se observa en la tabla 5. Las figuras 3(a) y 3(b) muestran la respuesta entregada por el software del comportamiento de los recubrimiento frente a la erosion con respecto al angulo de incidencia.

La tasa de erosion adquiere su valor maximo cuando el angulo de incidencia es 90[grados] para el caso del recubrimiento TiN se estima en 2,73 mm/ano y para el CrN 3,36 mm/ano. La tabla 6 muestra la comparacion de las medidas experimentales con las medidas estimadas mediante el aplicativo de software, donde se evidencia un error de 11,36% en el caso del recubrimiento de TiN y 10,47% en el recubrimiento CrN, lo cual permite usar el software como una herramienta para estimar el desgate erosivo, evitando la realizacion de ensayos experimentales para el estudio de diferentes recubrimientos.

CONCLUSIONES

Mediante el aplicativo desarrollado se simplifico el calculo para predecir la tasa de erosion de un recubierto ceramico expuesto a un flujo de particulas abrasivas, describiendo como el proceso de erosion es afectado por el tamano, la velocidad de incidencia y angulo de incidencia de la particula abrasiva mediante los parametros de erosion l, n, m almacenados en la base de datos.

El aplicativo desarrollado permite estimar el comportamiento de un material ceramico frente a la erosion debida al impacto de particulas abrasivas, variando de manera sencilla diferentes parametros como: el diametro y densidad de la particula abrasiva, la velocidad y el angulo de incidencia del flujo, la densidad del lodo, la carga masica de particulas y los parametros de erosion l, m, n, [[epsilon].sub.pref.], lo cual simplifica el estudio, ya que es complejo recrear los diferentes ambientes experimentalmente.

doi: 10.4067/S0718-07642015000200019

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Programa Jovenes Investigadores de CULCIENCIAS. Ademas, a la Vicerrectoria de Investigaciones de la Universidad Militar Nueva Granada por la financiacion de este trabajo a traves del proyecto ING 1767 (2015).

REFERENCIAS

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Jose L. Caballero (1), Willian A. Aperador (1) y Arnoldo E. Delgado (2)

(1) Grupo de Investigacion Volta, Facultad de Ingenieria, Universidad Militar Nueva Granada, Carrera 11 No. 101-80, Bogota-Colombia (e-mail: caballerojl22@gmail.com; g.ing.materiales@gmail.com).

(2) Grupo de Investigacion Energia Alternativa, Facultad de Ingenieria, Universidad Militar Nueva Granada, Carrera 11 No. 101-80, Bogota-Colombia (e-mail: arnoldo.delgado@unimilitar.edu.co).

Recibido Jul. 21, 2014; Aceptado Oct. 6, 2014; Version final recibida Oct. 20, 2014

Leyenda: Fig. 1: Diagrama de flujo del aplicativo.

Leyenda: Fig. 2: Aplicacion de software para la estimar el comportamiento al desgaste por erosion de recubrimientos ceramicos.

Leyenda: Fig. 3: Tasa de erosion de TiN(a) y CrN(b) entregada por el software.
Tabla 1: Combinaciones de recubrimiento ceramico y particula abrasiva.
(Khalil y Rosner 1996)

No    Material objetivo / Tipo de particula

1     Castable A / Dead burned dolomite
2     Castable C / Dead burned dolomite
3     Castable F / Dead burned dolomite
4     Vidrio / Silica Flour
5     Vidrio / Crystolon
6     Vidrio / Alundum
7     Vidrio / Perlas de cristal
8     Refractario de alta pureza / Carburo de Silicio
9     Hormigon refractario aislante / Arena
10    Hormigon refractario aislante / Blasting grit
11    Hormigon refractario resistente a la abrasion C / Blasting grit
12    Hormigon refractario resistente a la abrasion C / Arena
13    Hormigon refractario de alta resistencia / Blasting grit
14    Hormigon refractario de alta resistencia / Arena
15    Vidrio recocido / Hierro fundido
16    Vidrio recocido / Hierro fundido
17    Vidrio recocido / Hierro fundido (2)
18    80% Alumina Phos. Bonded castable / Carburo de silicio
19    Nitruro de silicio bonded SiC brick / Carburo de silicio
20    Cemento modeable ultra bajo / Carburo de silicio
21    60% Ladrillo de alumina (mullite based) / Carburo de silicio
22    Phos. bonded plastic, grano fino / Carburo de silicio
23    Phos. bonded plastic, grano regular / Carburo de silicio
24    Cemento moldeable bajo / Carburo de silicio
25    60% Alumina brick (mullitebased) / Carburo de silicio
26    Silice fundida maleable / Carburo de silicio
27    Ladrillo de arcilla refractaria resistente a la abrasion /
      Carburo de silicio
28    Cemento moldeable regular / Carburo de silicio
29    Super-duty Ladrillo de arcilla refractaria / Carburo de silicio
30    Thermal shock resistant castable / Carburo de silicio
31    Abrasion resistant castable / Carburo de silicio
32    SiC ceramica sin presion / Carburo de silicio
33    SiC ceramica presada en caliente / Carburo de silicio
34    Ceramica Isostaticamente prensada en caliente /Carburo de
      silicio
35    Si3N4 ceramica prensada en caliente / Carburo de silicio
36    Reaction-bonded Si3N4 ceramic / Cuarzo
37    Si3N4 ceramica prensada en caliente / Cuarzo

No       Densidad       l     m     n    Epref
      [g/[cm.sup.3]]

1           3          1.3   1.3    3    9.6E-4
2           3          1.2   1.1   2.5   7.2E-5
3           3           1     1    2.9   7.8E-5
4          2.65        1.2   2.5   2.3   7.2E-1
5          3.17        1.2   1.8   2.3   2.3E-1
6           4          1.2   1.8   2.3   2.4E-1
7          2.47        1.2   6.3   2.3   5.6E-2
8          3.17        1.2   0.6   2.8   7.5E-7
9          2.4         1.2   0.5   2.3   1.5E-3
10         2.65        1.2   1.4   2.3   1.4E-5
11         2.65        1.2   1.6   2.3   1.6E-7
12         2.4         1.2   4.4   2.3   8.9E-6
13         2.65        1.2   3.6   2.3    2E-6
14         2.4         1.2    3    2.3   1.1E-3
15         7.8         1.2   2.5   2.3   1.4E-4
16         7.8         1.2   2.7   2.3   1.1E-5
17         7.8         1.2   3.5   2.3   2.5E-4
18         3.22        1.2    0    2.3   9.8E-5
19         3.22        1.2    0    2.3   1.2E-4
20         3.22        1.2    0    2.3   1.2E-4
21         3.22        1.2    0    2.3   2.0E-4
22         3.22        1.2    0    2.3   2.2E-4
23         3.22        1.2    0    2.3   2.4E-4
24         3.22        1.2    0    2.3   2.5E-4
25         3.22        1.2    0    2.3   2.8E-4
26         3.22        1.2    0    2.3   2.8E-4
27         3.22        1.2    0    2.3    4E-4
28         3.22        1.2    0    2.3    4E-4
29         3.22        1.2    0    2.3   4.1E-4
30         3.22        1.2    0    2.3    4E-4
31         3.22        1.2    0    2.3    5E-4
32         3.22        1.3   0.8   2.8   8.3E-5
33         3.22        1.3   1.5   2.8    4-5
34         3.22        1.3   0.9   2.8   1.4E-5
35         3.22        1.3    0     4    4.6E-6
36         2.65        1.3    0     4    3.3E-6
37         2.65         1     0     1    4.3E-7

No    Fuente

1     Keairns et al (1979)
2     Keairns et al (1979)
3     Keairns et al (1979)
4     Head y Harr (1970)
5     Head y Harr (1970)
6     Head y Harr (1970)
7     Head y Harr (1970)
8     Wiederhorn y Roberts (1976)
9     Crowley (1969)
10    Crowley (1969)
11    Crowley (1969)
12    Crowley (1969)
13    Crowley (1969)
14    Crowley (1969)
15    Finnie (1960)
16    Finnie (1960)
17    Bitter (1963)
18    Liebhard (1994)
19    Liebhard (1994)
20    Liebhard (1994)
21    Liebhard (1994)
22    Liebhard (1994)
23    Liebhard (1994)
24    Liebhard (1994)
25    Liebhard (1994)
26    Liebhard (1994)
27    Liebhard (1994)
28    Liebhard (1994)
29    Liebhard (1994)
30    Liebhard (1994)
31    Liebhard (1994)
32    Wang et al. (1995)
33    Wang et al. (1995)
34    Wang et al. (1995)
35    Gulden (1979)
36    Gulden (1979)
37    Gulden (1979)

Tabla 2: Datos experimentales con recubrimiento TiN.

Tiempo                  Desgaste             Tasa de erosion
                                                a 90 grados

[minutos]   [g/[cm.sup.2]]   [g/[m.sup.2]]   [g/[m.sup.2]/min]

15             1.10E-4           1.10             7,33E-2
30             1.20E-4           1.20             4,00E-2
45             3.30E-4           3.30             7,33E-2
60             6.20E-4           6.20             1,03E-1
180            7.10E-4           7.10             3,94E-2
540            8.00E-4           8.00             1,48E-2
720            9.00E-4           9.00             1,25E-2
1440           1.00E-3           10.00            6,94E-3
Promedio                                          4.55E-2

Tiempo               Tasa de erosion
                       a 90 grados

[minutos]   [g/[m.sup.2]/dia]   [mm/ano]

15               106,00           4,90
30                57,60           2,67
45               106,00           4,90
60               149,00           6,91
180               56,80           2,64
540               21,30           9,91
720               18,00         8,36E-01
1440              10,00         4,64E-01
Promedio          65.50           3,04

Tabla 3: Datos experimentales con recubrimiento CrN.

Tiempo                  Desgaste              Tasa de erosion
                                                a 90 grados

[minutos]   [g/[cm.sup.2]]   [g/[m.sup.2]]   [g/[m.sup.2]/min]

15             1.10E-04          1.10            7.33E-02
30             2.10E-04          2.10            7.00E-02
45             3.20E-04          3.20            7.11E-02
60             5.00E-04          5.00            8.33E-02
180            6.20E-04          6.20            3.44E-02
540            6.90E-04          6.90            1.28E-02
720            7.20E-04          7.20            1.00E-02
1440           8.00E-04          8.00            5.56E-03
Promedio                                         4.51E-02

Tiempo      Tasa de erosion a 90 grados

[minutos]   [g/[m.sup.2]/dia]   [mm/ano]

15               106,00           4,90
30               101,00           4,68
45               102,00           4,76
60               120,00           5,57
180               49,60           2,30
540               18,40         8,54E-01
720               14,40         6,69E-01
1440              8,00          3,72E-01
Promedio          64.90           3.01

Tabla 4: Parametros de entrada para el software

Parametro                        Unidades

Diametro de la particula    210-300 [micron]m
Velocidad del flujo         11,12 [ms.sup.-1]
Carga masica de particula         1 ppm
Densidad del lodo           21,61 [kgm.sup.-3]
Angulo de incidencia            90[grados]

Tabla 5: Combinacion recubrimiento ceramico particula abrasiva.

No    Material objetivo /                    Densidad        l     m
      Tipo de particula                    [g/[cm.sup.3]]

38    Recubrimiento TiN/ Arena de Ottawa        2,2         1,2   1,7
39    Recubrimiento CrN /Arena de Ottawa        2,2          1    1,1

No     n    Epref            Fuente

38    2,1   6,3E-3   Bautista et al. (2011)
39    0,9   4,8E-3   Barshilia et al. (2007)

Tabla 6: Contraste entre datos teoricos con practicos.

Recubrimiento   Experimental    Software     Error

TiN             3,04 mm/ano    2,73 mm/ano   11,36%
CrN             3,01 mm/ano    3,36 mm/ano   10,47%
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Author:Caballero, Jose L.; Aperador, Willian A.; Delgado, Arnoldo E.
Publication:Informacion Tecnologica
Date:Apr 1, 2015
Words:4569
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