Annette Daphne Cochón Lipa; Jhon Marcelo Mamani Quispe; Ragihyth Libia Patiño Patiño; Raul Eduardo Bolmaro -; Jerson Edwin Alvarado Quintanilla; Cesar Augusto Andrade Tacca; Giancarlo Franko Sanchez Chavez

Objetivo

Desarrollar materiales de alta resistencia al desgaste abrasivo y tenacidad de impacto basados en aleaciones de fundición blanca con adición de elementos de aleación y aplicación de tratamiento térmico para aplicaciones en la minería peruana.

Resumen:

La minería genera potencial de desarrollo de actividades económicas para proveer diversos productos y servicios. Esto es significativo porque el país necesita el desarrollo de actividades de manufactura y tecnológicas, con la aplicación del conocimiento científico-tecnológico obtenido de la investigación y para lo cual las universidades desempeñan un rol importante. En la UNSA existe infraestructura y capital humano con experiencia en la producción y estudio de materiales de fundición ferrosa y no ferrosa, sin embargo, esta fortaleza no se ha traducido en la generación de productos y servicios tecnológicos avanzados para empresas e industrias. Se requiere consolidar las líneas de investigación, captando y formando nuevo recurso humano especializado y dedicado principalmente a la investigación, producción intelectual de artículos científicos, y principalmente innovar en materiales de interés para el sector minero, considerando que es un mercado tan atractivo e importante en lo económico para la región Arequipa y el país. Nos proponemos aportar en la solución de este problema mediante la realización de un proyecto para la mejorar la resistencia al desgaste abrasivo y tenacidad de impacto de aleaciones de fundición blanca con la adición de elementos aleantes, no solamente de cromo, el cual es invariable en la composición de este tipo de materiales, sino de otros elementos como el boro y nitrógeno, para la fabricación de diversos productos de aplicación en minería, en especial en los procesos de conminución de minerales, donde los aceros son los materiales mayormente empleados. Apuntamos a contribuir en la mejora de la competitividad industrial con materiales de atractivo ratio entre calidad y precio. La metodología que aplicaremos considera la obtención de las aleaciones mediante un horno de inducción de laboratorio y materia primas a partir de chatarra de acero seleccionada, grafito, y ferroaleaciones. Las composiciones químicas serán determinadas por espectrometría de emisión óptica. La aplicación de los tratamientos térmicos es esencial en este proyecto. Se tendrá soporte de software termodinámico a fin de obtener los diagramas de fases correspondientes y los diagramas de trasformación de enfriamiento continuo. A partir de ellos se determinarán las temperaturas, los tiempos y medios de enfriamiento. La idea es obtener una microestructura de matriz que preste adecuadas propiedades al material en cuanto a dureza y tenacidad. Las fases de martensita, bainita y de doble fase pueden ser obtenidas. Asimismo, es necesaria una adecuada precipitación de los carburos en cuanto a cantidad y morfología, ademas de la presencia de boruros que tienen una alta dureza y contribuir a la resistencia al desgaste abrasivo. Las microestructuras y propiedades de las muestras serán examinadas mediante una caracterización completa por microscopia óptica y electrónica, difracción de rayos X, ensayos de dureza y microdureza, ensayo de tenacidad de impacto y pruebas de desgaste en tribómetro pin-on-disc. El resultado esperado del proyecto es aportar una mejora competitiva en materiales basados en fundición blanca para aplicaciones en minería que demanden alta resistencia al desgaste y tenacidad, de acuerdo a los mecanismos desgaste predominantes en las condiciones de uso.

Palabras clave

Fundiciones blancas, microestructura bifásica, tratamientos térmicos., UNSA.

Problema central

Según cifras del Instituto Peruano de Economía (IPE), el aporte de la minería en el Perú al producto bruto interno (PBI) es del 10%, aparte de la entrada de divisas e ingresos fiscales por impuestos, creación de puestos de trabajo directos e indirectos, y generación de un potencial de desarrollo de diferentes actividades económicas. La minería actual emplea tecnología de punta en sus diversos procesos de explotación y procesamiento de minerales para enfrentar los desafíos de tener una producción más eficiente, con aumento de la productividad, con estándares de seguridad laboral y medioambiental más elevados, y ahorro de costos en mantenimiento y consumo de energía. En ese sentido el rol que tiene la I+D+i se vuelve muy importante para generar el soporte científico-tecnológico, que requiere la minería. Las universidades son los principales centros llamados a asumir la función de proveer soluciones que se deriven de la investigación y que estas puedan ser transferibles y absorbibles tecnológicamente a la industria minera. Sin embargo, esa función no se viene cumpliendo a la altura de lo requerido. Esto se evidencia, por la poca literatura especializada que se genera (publicaciones científicas) relacionada a temas de ingeniería, así como el escaso número de recurso humano especializado y dedicado principalmente a las líneas de investigación relacionadas. La UNSA cuenta con un centro de producción adscrito a la escuela de Ingeniería Metalúrgica, de fundiciones de hierro, aluminio y bronce con un recurso humano de mucha experiencia y estudio de los materiales obtenidos. Sin embargo, no se cuenta con una oferta de productos y servicios tecnológicos especializados para empresas e industrias. Se requiere que las unidades de investigación de las escuelas de ingenierías desarrollen investigaciones de manera sostenible para fortalecer las líneas de investigación, que permitan captar y formar nuevo recurso humano especializado. Por otra parte, como se mencionó, la minería necesita hacer eficiente cada vez más su producción, reduciendo el consumo de recursos materiales y energéticos como, por ejemplo, es el caso de la etapa de conminución, donde el consumo de los medios de molienda, fabricados principalmente a partir de acero, impacta significativamente en los costos del proceso. En un contexto mundial, diferentes aleaciones a partir de fundición blanca han encontrado aplicación en la minería y procesamiento de minerales por sus notables propiedades de resistencia al desgaste. La razón principal de la excelente resistencia al desgaste se debe a la presencia de carburos eutécticos duros, tipo M7C3. Sin embargo, las fundiciones blancas, que tienen siempre un contenido importante de cromo, tienen en la tenacidad un factor limitante para su aplicación como alternativa frente al acero en aplicaciones de alto desgaste. Por tanto, se tiene la oportunidad de desarrollar materiales basados en aleaciones de fundición blanca para aplicaciones en la minería, mejorando la tenacidad sin reducir su resistencia al desgaste, inclusive también mejorarla, con lo cual puedan ser competitivos con los materiales convencionales de acero, considerando mejores ratios de calidad-precio.

Hipótesis planteada

La adición de elementos de aleación como boro y nitrógeno entre otros elementos, de manera conjunta en la composición de las fundiciones ademas de una adecuada microestructura de la fase matriz y carburos obtenida mediante tratamiento térmico pueden mejorar las propiedades de resistencia al desgaste abrasivo y tenacidad de impacto.

Resultados esperados

Los resultados que se esperan de la investigación son:
Identificación de las microestructuras tipificas de las fundiciones blancas que perjudican la tenacidad formadas durante el tratamiento térmico. Relación de la tenacidad, dureza y desgaste con las microestructuras. Además se determinará la resistencia al desgaste en función de la presencia de carburos eutécticos duros, tipo M7C3.

Así mismo, con el financiamiento se logrará:
- 02 artículos publicados en revistas indizadas en la base Scopus o Web of Science (un artículo publicado por el Investigador Principal y su equipo de co-investigadores y 01 artículo publicado por los investigadores junior).
- 02 Ponencias realizadas internacionalmente para difundir los resultados de la investigación
- 01 Profesional Titulado con la opción tesis formato artículo
- 02 Profesionales de la UNSA capacitados (pasantías, cursos talleres)
- 01 Solicitud de PI (patente industrial, modelo de utilidad, diseño industrial, derecho de autor / OBTENTOR, registro de marca o varietal).

Impactos esperados

Los resultados del presente proyecto de investigación, encuentra su utilidad y aporte para las empresas mineras de la región ya que en sus procesos productivos emplean bolas de hierro fundido para molienda de minerales. Descubrir y dar mejoras en la resistencia a la tenacidad y desgaste de estas fundiciones beneficiara de gran manera la producción de las empresas mineras.

Impacto socio-económico:
Los materiales a desarrollar serán de interés de nuevos centros de manufacturas de productos de aleación metálica que atienden la alta y creciente demanda de un sector tan importante como el minero por su alto impacto en la economía de la región y del país en general, con lo cual también se contribuiría a mejorar la competitividad industrial nacional en base a la innovación y calidad de materiales.

Impacto científico:
El desarrollo del proyecto puede permitir obtener una mejor comprensión de los mecanismos que controlan las propiedades de tenacidad de impacto de las fundiciones blancas mediante la examinación y estudio de las fases microestructurales aplicando diversas técnicas de caracterización.

Impacto tecnológico:
Nuestro proyecto pretende propiciar la creación de un laboratorio con personal altamente especializado, con capacidad de desarrollar aleaciones novedosas y/o especiales con aplicaciones específicas según los requerimientos de la industria, especialmente minera.

Impacto ambiental:
Los nuevos materiales contribuirán a obtener menores consumos de energía y recursos materiales por parte de los procesos donde serán aplicados. Por ejemplo, en los procesos de conminución (chancado, molienda) y otras áreas, se obtendría menor consumo de bolas de molienda y mejor eficiencia energética.