En el trabajo se establecen los parámetros que caracterizan el endurecimiento por deformación plástica por rodadura en pines de mecanismos de rodadura en las máquinas de laboreo minero elaboradas de acero AISI 1045, se describen los procedimientos del proceso de experimentación, se fundamentan las propiedades a investigar. Se describe el análisis de regresión para determinar la influencia de la deformación. Finalmente, se desarrollan los procedimientos tecnológicos para el endurecimiento superficial de piezas circulares empleadas en esos equipos. Se muestra la relación directa entre el número de revoluciones del husillo, la presión ejercida sobre la probeta y la dureza superficial.

Dureza superficial, Parámetros Tecnológicos, Tratamiento Superficial, Rodadura,

Aún hoy en día la industria está expuesta a un cambiante y cada vez más competitivo escenario económico, nos encontramos con la realidad de que valiosos recursos productivos no son utilizados eficientemente, debido a que el enemigo número uno de la industria de fabricación de piezas y equipos, el desgaste, se ha encargado de retirarlos prematuramente de servicio.

La industria minera constituye, en muchos países, uno de los principales renglones de la economía, el incremento de la eficiencia y la diversificación de su producción en la búsqueda de productos más competitivos, demanda de tecnologías y con ello equipos y aparatos para su desarrollo. Un componente importante del equipamiento utilizado se encuentra en fase de deterioro progresivo, exigiendo grandes esfuerzos para sustituir y recuperar los dispositivos, partes y piezas que conforman el equipamiento un ejemplo de ello lo constituyen los pasadores de las esteras de los equipos de laboreo minero (figura 1).

Figura 1. Pasador deteriorado de las esteras en los equipos de laboreo minero

A pesar de la gran variedad de factores que influyen en la situación planteada, tales como tipo de material, acabado superficial, régimen de explotación, entre otros aspectos se distingue por su significación en el alargamiento del período efectivo de trabajo de estos elementos: las propiedades mecánicas y tecnológicas que puedan desarrollar según Alvarez (1993).

Una de estas propiedades es la dureza, la cual alcanza valores considerables, lo que debía garantizar la longevidad apropiada durante la explotación de los mismos. El acero AISI-1045 es considerado en la práctica industrial como un material de buena calidad que combina elevada tenacidad-ductilidad con una gran capacidad de endurecimiento por deformación y una elevada resistencia al desgaste a pesar de su relativa baja dureza, Bayoume (1995)

El acero AISI 1045 puede lograr unificar las propiedades de resistencia al desgaste, en consecuencia constituye el material idóneo para garantizar la asignación de servicio de estas piezas, es un material con una apropiada facilidad de conformar, su costo de producción es relativamente bajo y ofrece buenas condiciones de trabajo al desgaste, este es capaz de endurecer por deformación plástica, no obstante en las condiciones en que se oferta en el mercado, no se garantiza la dureza requerida antes de su puesta en explotación.

El método de endurecimiento por rodadura se emplea por las siguientes razones:

1. El costo del proceso es muy bajo.
2. El consumo de energía es mínimo.
3. Es aplicable a piezas que tengan configuración cilíndrica.

4. Se puede realizar sin necesidad de equipamiento especial.
5. El tiempo de operación es muy corto.

Este trabajo tiene el objetivo de establecer los parámetros tecnológicos del proceso de endurecimiento por rodadura en elementos circulares fabricados de acero al carbono AISI 1045, sometidos a deformación plástica.

Para la planificación de experimentos se utilizó el método factorial completo de Mitrofánov, que permite estimar los efectos lineales y los efectos de interacción con un gran número de variables independientes. Los experimentos factoriales permiten combinar al mismo tiempo todas las variables.

En este caso, se analizará la influencia de cuatros factores, de aquí que k = 2 luego, el número de experimento sería: N = 9. Con tres replicas, para un total de 27 experimentos.

La ecuación de regresión resultante tiene la forma siguiente.

Y₁=b₀ + b₁X₁ + b₂ X₂ + b₁₂X₁₂ . . . . . . [1]

Donde:

X₁.- velocidad del husillo; en rev/min.

X₂.- presión del rodillo del dispositivo sobre la probeta; en MPa.

Y₁.- dureza obtenida del ensayo; en HB.

b₀; b₁; b₂; b₁₂ .- coeficientes de regresión que se determinan de la siguiente manera:

Se determina la varianza de reproducibilidad (error) del experimento:

. . . . . . . . . . [6]

La varianza de los coeficientes de regresión se determina de la manera que sigue:

. . . . . . . . . . [7]

La significación de los coeficientes de regresión se comprueba por el criterio de "t student" para una probabilidad de un 95% o un intervalo de confianza de 0.05 y 15 grado de libertad (N-1)

Posteriormente se calcula la varianza con adecuación al modelo:

. . . . . . . . . [8]

Siendo:

K.- número de coeficientes significativos.

. . . . . . . [9]

Donde

P.- presión ejercida por el rodillo sobre el material; en MPa

.- coeficiente de resistencia a la tracción. [MPa]

.- diámetro del eje (probeta). [mm]

I2.5. - coeficiente que tiene en cuenta el módulo de elasticidad.

La matriz de planificación de experimentos se expone en la tabla 1.

Tabla. 1

En cada una de probetas se realizarán 3 mediciones de dureza, la primera a una distancia de 5 mm de la cara lateral donde fue colocado el dispositivo (figura 1), la segunda a 30 mm de la primera, y la tercera a 30 mm de la segunda.

Figura 2. Dispositivo para la deformación plástica por rodadura

Para el desarrollo de la parte experimental de la investigación la probeta se somete a la acción de fricción en diferentes condiciones, a fin de evaluar la influencia de aquellos factores que pudieran tener un efecto significativo en la calidad del proceso de endurecimiento.

Teniendo en cuenta que no se dispone de una expresión matemática que haya sido publicada, que permita fijar de antemano los valores de aquellas variables que definan la calidad óptima del proceso de endurecimiento del acero AISI 1045, se propone realizar el tratamiento matemático de las variables que se consideran más importantes, involucradas en el proceso después de un estudio preliminar de tema.

Estas son:

X₁; X₂ e Y₁.

Los niveles escogidos para la variable X₁ son:

• Nivel superior (+1): 110rev/min.

• Nivel medio (Δ): 54rev/min.

• Nivel inferior (-1): 27rev/min.

Esta variable determina una de las principales característica por lo que se toma en cuenta.

Los niveles escogidos para la variable X₂ (presión del rodillo sobre la probeta) son:

• Nivel superior (+1): 250 Mpa.

• Nivel medio (Δ): 150 Mpa.

• Nivel inferior (-1): 50 Mpa.

Al conformarse metal bajo presión la correlación de desplazamiento del metal en diferentes direcciones (volumen desplazado) se determina por el principio o ley de menor resistencia (Emilio 1991).

Para el análisis de varianza se utilizará el método de Fisher comparando los coeficientes de Fisher calculado con los tabulados (F_Tab) según grados de libertad.

Tomando como referencia la base de datos, resultado de las mediciones de dureza realizada, se procede a la realización del análisis de varianza, según el método de Fisher, para evaluar el nivel de significación de las variaciones provocadas por los diferentes experimentos.

Como se puede apreciar, la probabilidad para variaciones por muestras es menor de un 0.05 %, para variaciones por columnas es del 96 % y para variaciones por interacción es del 98 %. Por lo que estos resultados permiten afirmar que la probabilidad para variaciones por muestras es menor de 0.05 %, lo que indica que las diferencias provocadas por las variaciones de los factores X₁ y X₂ para cada experimento, son significativas en tanto que la fluctuación de estos factores tienen gran influencia en los valores de dureza que se obtengan.

Las variaciones en un 96 %, indican que las diferencias provocadas en cada experimento no son significativas, lo que muestra que las variaciones en los valores de las mediciones en cada probeta, son pequeñas y no son provocadas por las variaciones de los factores X₁ y X₂ (velocidad del husillo y presión del dispositivo sobre la probeta)_, sino por otros factores aleatorios.

La probabilidad para variaciones por interacción del 98 %, indica que las variaciones provocadas por los diferentes experimentos (X₁ y X₂), no son significativas es decir, tienen una marcada tendencia a ser iguales. Lo confirma el criterio de que lo determinante en las variaciones de la dureza del acero AISI-1045, son los factores (X₁ y X₂ )_. Los cuales son significativos expresado en el análisis de regresión con un grado de confianza de 98%. Por otra parte se puede asegurar que la dureza promedio para cada probeta caracteriza fielmente esta magnitud con independencia de la posición que haya sido realizada la medición.

Los resultados de la figura 3, muestran que existe una la relación lineal entre las variables involucradas, que hay alto grado de variación de la variable independiente sobre la variable dependiente y que el error típico que se comete al plotear la curva es bajo, con una alta aproximación a la tendencia real que debe tener la curva, así mismo en la figura 4 se evidencia que a medida que se incrementa la presión ejercida sobre la probeta aumenta la dureza superficial de la misma

Figura 3. Dependencia entre la dureza y la velocidad del husillo

Figura 4. Relación entre la presión ejercida y dureza de la probeta

Existe tendencia al incremento de la dureza en la misma medida en que se incrementan los valores de la presión ejercida y se disminuye la velocidad de rotación del husillo. Para el nivel medio (∆) existe un incremento de la dureza aunque no es elevado, alcanzándose valores máximos de HRC 285. El empleo del acero AISI 1045 endurecido por el método de rodadura es recomendable para piezas que trabajan bajo la acción simultánea de cargas de fatiga y adhesión.

Alvarez, L y J. González. Máquina para el estudio del desgaste abrasivo en pares tribológicos. Revista construcción de maquinaria. Santa Clara, No2: 69-76,1993.

Bayoume, M. R. Effect of surface finishes on fatigue strength. Engineering fracture mechanics. Vol 51. No 5: 861- 870. 1995.

Dikshit, V. Investigation of rolling contact fatigue in a head hardened rail. Wear. Vol 144: 89-109. 1991

Gudenau, H. W. Thermomechanical and thermochemical wear mechanisms in the plastic furnace heart. Journal of university of science and technology Beijing. China: 37-42. 1998

Jarquin, G. Análisis matemático del endurecimiento superficial con sales de boro. Mmemoria del III Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. La Habana. 1997

Datos de los autores

Licenciado en Construcción de maquinarias

Profesor asistente

Departamento de Ingeniería Mecánica

Facultad de Metalurgia Electromecánica

Instituto Superior Minero metalúrgico de Moa

Holguín, Cuba

Ingeniero Electromecánico

Doctor en Ciencias Técnicas

Profesor Titular

Departamento de Ingeniería Mecánica

Facultad de Metalurgia Electromecánica

Instituto Superior Minero metalúrgico de Moa

Holguín, Cuba

Ingeniero Mecánico.

Profesor asistente

Master en Electromecánica.

Departamento de Ingeniería Mecánica.

Facultad de Metalurgia Electromecánica

Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa.

Holguín. Cuba.

Ingeniero Mecánico.

Trabajador

Planta de fundición de plásticos Mayarí.