DETERMINACIÓN DE LA DUREZA MOHS DE BALDOSAS CERÁMICAS ESMALTADAS

MEDIANTE ENSAYOS DE RAYADO

Rafael Ariza Gon~alves(*)

Giovana Dal-Pont(**)

Aurea Stela Wessling Werncke'")

Humberto Gracher Riella(**)

Whisner Fraga Mamede")

'"Universidad Federal de Uberlandia - Laboratorio de Tribología y Materiales

38400-902 Campus Santa Monica, Uberlandia - MG, Brasil, ltm-ariza@ufu.br

(**) Centro de Tecnologís Cerámica - Criciúma - SC, Brasil

RESUMEN

La calidad de los recubrimientos cerámicos está estrechamente relacionada con la satisfacción del cliente, es decir, con u n diseño y propiedades adecuados al uso. Por lo tanto, es preciso consi- derar las características de los recubrimientos cerámicos que definen las expectativas del cliente. Los recubrimientos cerámicos utilizados en los pavimentos deben presentar, entre otras caracterís- ticas, una alta resistencia al desgaste por abrasión. La determinación de la resistencia al rayado también contribuye a la caracterización del producto cerámico, debido a su relación con la resis- tencia a la abrasión. Se suele utilizar la escala de Mohs para medir la resistencia al rayado. La dure- za Mohs de u n material determinado se obtiene mediante la comparación de su resistencia al raya- do con la resistencia correspondiente de diez minerales estándar diferentes. Este procedimiento puede presentar problemas, ya que no se puede controlar la fuerza aplicada, el ángulo de ataque, la velocidad de rayado y la fragmentación de los materiales estándar durante el ensayo. En este tra- bajo, se presenta una correlación entre las mediciones de la dureza Mohs y la dureza al rayado durante el ensayo de rayado. El presente método ha eliminado los problemas mencionados.

El desgaste abrasivo es un proceso de rayado múltiple. En este sentido, la resisten- cia al desgaste por abrasión está estrechamente relacionada con la resistencia al rayado [ ' J ~ ] .

El tráfico peatonal aporta grandes cantidades de abrasivos a las baldosas cerámicas, que causan un desgaste abrasivo. La determinación de la dureza al rayado contribuye a la caracterización de los productos cerámicos.

La dureza Mohs es uno de los parámetros recomendados por las normas actuales para la evaluación de las baldosas cerámicas. Sin embargo, entre otros problemas, existe una falta de control de la fuerza aplicada, el ángulo de ataque, la velocidad de rayado y la fragmentación de los materiales estándar durante el ensayo. Por otra parte, la visuali- zación de las rayas producidas por los materiales tipo no es muy exacta.

El ensayo esclerométrico o ensayo de rayado consiste en una simulación en la cual una sola partícula abrasiva actúa sobre la muestra. Esta técnica proporciona la dureza al rayado, energía de rayado específica, índice de fragilidad dinámico y factor de concen- tración de las tensiones críticas, entre otras propiedade~.['~~~~]

La figura 1 muestra un equipo de rayado con un esquema de las fuerzas que actú- an en el punzón. A partir de esta figura se pueden definir algunos parámetros de rayado, especialmente la dureza al rayado (Hr), que se describe mediante la expresión (1):

Figura 1. (a) Equipo de rayado. A - Carga normal, B - Amortiguador mecánico, C - Motor de corriente directo, D - Célula de carga, E - Banco de sujeción de la probeta. (b) Esquema def ierza del punzón.

[ l] DE MELLO, J. D. B.; Sfrucfures Metallurgiques et Caracferizafion de I'Abrasion des Fontes Blanches au Clzrome, These de doc- torat, Institute National Po1 ytechnique de Grenoble, Francia, 1983.

[2] LAMY, B., Con fribu fion a 1 'Éfude Phenornenologique de I'Enlevemen f de Mafiere et de la Deformation des Surfaces A n fagonistes dans les Processus D'abrasion, These de doctorat, Université de Haute Alsace, Francia, 1982.

[3] EN 101 185 - Deferrninacáo da Dureza ao Risco de Superficie Segundo Mohs.

[4] FEIJÁO, J. F. M., ALARCON, O. E., DE MELLO, J. D. B., DA ROSA, F. G., SILVEIRA, R. Y SILVEIRA, M., S fudy of Wearing Mechanism on Glazed Tiles by Scrafching Tesfs, QUALICER 96, Castellón, España, 1996.

[5] RASLAN, A. A., Estudo da Abrasáo do Silício por Esclerometria Retilínea, Anais do 1 Congresso Iberoamericano de Ingenieria Mecanica, España, 1993, pp. 231-235.

[6] RASLAN, A. A., A Dureza ao Risco de Monocristal de Silício, Anais do X CBCIMAT, Aguas de Lindóia, Brasil, 1992, pp. 1084 -1087.

Donde, An es la proyección del plano AB (plano de contacto) sobre el plano de dirección normal. L es la anchura de la huella; K, es una constante relacionada con la geo- metría del punzón. Para el penetrómetro Vickers, K, = 4.

OBJETIVOS

El presente trabajo tiene como objetivo la propuesta de un nuevo método para la medición de la dureza Mohs mediante los ensayos de rayado. El método proporciona resultados que se obtienen bajo condiciones controladas, que incluyen la fuerza aplicada, la velocidad de rayado, el ángulo de ataque y la integridad del punzón.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Las rayas se realizaron con el equipo de rayado mostrado en la figure l(a). Se utili- zaron placas de ocho minerales diferentes, de acuerdo con los minerales estándar de la escala de Mohs (yeso, calcita, fluorita, apatita, ortoclasa, cuarzo, topacio, corindón). Las condiciones fijadas fueron las siguientes: punzón de diamante (penetrómetro Vickers en posición vertical), carga normal (Fn) = 1.0 N y velocidad de rayado de 500 pm/ s.

Se midió la anchura de las huellas con un microscopio óptico. Los valores de dure- za al rayado se calcularon mediante la ecuación (1). En la figura 2(a) se representan grá- ficamente los valores calculados para Hr en función de los valores de dureza Mohs corres- pondientes. La curva obtenida se linealizó mediante los logaritmos de Hr, como se puede observar en la figura 2(b)

O 2 4 6 8 10 O 2 4 6 8 1 O

a ) Dureza Mohs b) Dureza Mohs

Figura 2. (a) Relación entre la dureza al rayado y la dureza Mohs, (b) lnHr x Mol~s curva de dureza Mohs.

A partir de la figura 2(b), se puede obtener la ecuación (2):

ln Hr - 6.72 Dureza Mohs =

0.63

Los valores de la dureza Mohs se midieron en cinco baldosas cerámicas comerciales para comprobar el modelo. Se utilizó el método tradicional que emplea la comparación con los minerales estándar y el método de rayado. Tres de las baldosas cerámicas eran lisas (A, B y C) y dos eran rugosas (D y E). Las condiciones experimentales fueron análo- gas a las utilizadas en el rayado con los minerales tipo de Mohs. Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 1.

Tabla 1. Valores de la dureza Mohs de cinco baldosas cerámicas comerciales, obtenidos por el método tradicional y por el método de rayado (ensayo esclerométrico).

Baldosa Cerámica Dureza Mohs - Mét diciona Dureza Mohs - Método de rayado

Los resultados presentados en la tabla 1 indican que en las baldosas cerámicas A, B y C, los valores de la dureza Mohs son más altos para el método de rayado que para el método tradicional. En las baldosas cerámicas D y E, los valores obtenidos mediante el ensayo de rayado son menores.

En el ensayo tradicional de Mohs, si un material estándar puede rayar una muestra, la muestra se clasifica en función de la dureza del material estándar anterior. Teniendo en cuenta este hecho, los resultados obtenidos para las baldosas cerámicas A, B y C son los previstos. La superficie de las baldosas cerámicas D y E era muy rugosa; por lo tanto, las huellas producidas por el equipo de rayado no eran claramente visibles por el ojo huma- no. En estos casos, durante las mediciones de dureza Mohs con el método tradicional, habrá que utilizar materiales estándar más y más duros para poder visualizar las rayas. Entonces es posible suponer que las piezas habían sido rayadas justamente por los mine-

A 4

4.52

rales estándar anteriores (de menor dureza).

B 5

5.80

C 5

5.78

CONCLUSIONES

El ensayo de rayado o ensayo esclerométrico asegura el control de la fuerza apli- cada, el ángulo de ataque, la velocidad de rayado y la fragmentación de los mine- rales estándar durante el ensayo. Así mismo, dicho ensayo no presenta los pro- blemas asociados a la visualización de las rayas producidas por los materiales estándar, como se observa en los ensayos de Mohs tradicionales.

5.74

El ensayo de rayado para la evaluación de la dureza Mohs proporciona valores más precisos que el ensayo tradicional.

E 8

5.95