La interferencia adecuada es un parámetro de diseño del sistema, no un porcentaje universal.
Introducción
El carburo de tungsteno cementado y el acero se combinan con frecuencia en componentes destinados a condiciones de servicio severo porque ambos materiales ofrecen propiedades de ingeniería complementarias.
El carburo de tungsteno cementado proporciona elevada dureza, resistencia al desgaste, alta resistencia a la compresión y resistencia a la pérdida dimensional. El acero aporta tenacidad, soporte estructural, facilidad de mecanizado y la posibilidad de incorporar características de montaje como roscas, bridas, hombros y otras conexiones.
Sin embargo, la interfaz entre estos materiales requiere un diseño cuidadoso.
Un ajuste por interferencia cuyo valor sea insuficiente puede permitir movimiento, desgaste por micromovimientos (fretting) o pérdida de retención. Una interferencia excesiva puede introducir esfuerzos perjudiciales en el carburo o deformar permanentemente el alojamiento de acero. La expansión térmica, la geometría del componente, el espesor de pared, el estado superficial, el método de montaje y las cargas de operación también pueden modificar el comportamiento de la unión.
Este artículo explica las principales consideraciones para diseñar conjuntos carburo-acero mediante ajustes a presión, ajustes por contracción y retención mecánica. El objetivo no es proporcionar un valor universal de interferencia, sino mostrar qué variables deben evaluarse durante el diseño y la validación de un conjunto.
1. Por qué se utilizan conjuntos carburo-acero
El carburo de tungsteno cementado combina granos duros de WC con una fase aglutinante metálica. Dependiendo del grado y de la aplicación, este material compuesto puede ofrecer una excelente resistencia a la abrasión, a la erosión por partículas, a la pérdida dimensional y a las elevadas cargas de compresión.
Sin embargo, los componentes de carburo también deben diseñarse teniendo en cuenta su menor tolerancia a los esfuerzos de tracción, las cargas de flexión y las concentraciones de esfuerzos y determinadas condiciones de impacto.
El acero constituye un complemento estructural útil porque puede:
- proporcionar soporte al componente de carburo;
- soportar cargas estructurales y de flexión;
- absorber cargas mecánicas;
- incorporar características de montaje complejas;
- simplificar la conexión con los equipos circundantes;
- y reducir la cantidad de carburo necesaria en conjuntos de mayor tamaño.
Esto conduce a una estrategia de diseño habitual:
Utilizar carburo en la interfaz crítica de desgaste y acero donde se requiere soporte estructural y fijación.
Entre los ejemplos se incluyen insertos, manguitos, bujes, componentes de válvulas, boquillas, elementos antidesgaste y otras piezas críticas de carburo soportadas por alojamientos, portapiezas o cuerpos de acero.
La configuración adecuada depende de la geometría del componente, la ubicación del desgaste, las cargas mecánicas, el entorno de operación, los requisitos de fabricación, la estrategia de mantenimiento y las consideraciones del ciclo de vida.
2. ¿Carburo macizo o conjunto carburo-acero?
No existe un tamaño o una geometría universal a partir de los cuales un diseñador deba cambiar automáticamente de un componente de carburo macizo a una construcción carburo-acero.
Un componente de carburo macizo puede ser apropiado cuando:
- la geometría puede fabricarse de forma fiable en carburo;
- se requiere protección contra el desgaste en la mayor parte del componente;
- el tamaño del componente y el consumo de material siguen siendo prácticos;
- las condiciones de carga y apoyo son compatibles con el carburo;
- y una interfaz con otro material introduciría una complejidad innecesaria.
Un conjunto carburo-acero puede ser preferible cuando:
- el desgaste se concentra en zonas específicas;
- el componente necesita un soporte estructural considerable;
- las cargas de flexión, vibración o impacto deben ser absorbidas por un material de apoyo más tenaz;
- se requieren roscas, bridas, chaveteros u otras características de montaje complejas;
- son deseables elementos de desgaste de carburo reemplazables;
- o la protección localizada con carburo proporciona una solución más práctica durante el ciclo de vida.
Por lo tanto, la decisión debe basarse en el sistema completo del componente y no en una regla dimensional fija.
3. Ajustes a presión y ajustes por contracción
El ajuste a presión y el ajuste por contracción son dos métodos utilizados habitualmente para crear una interferencia entre un componente de carburo y un alojamiento metálico.
Ajuste a presión
En un conjunto con ajuste a presión, los componentes se montan mecánicamente, normalmente a temperaturas iguales o similares.
Este método puede ser adecuado cuando:
- la geometría del carburo es suficientemente robusta;
- las fuerzas de montaje pueden controlarse;
- las superficies de acoplamiento y la alineación están bien controladas;
- y se han evaluado los esfuerzos resultantes.
Debido a que durante el montaje existe deslizamiento relativo, la fricción, el estado de las superficies, la alineación, la geometría de los bordes y la fuerza de montaje pueden influir en el riesgo de rayado, agarrotamiento, daño de los bordes o esfuerzos localizados.
Ajuste por contracción
En un conjunto por contracción, una diferencia de temperatura crea temporalmente la holgura necesaria para el montaje. El alojamiento de acero puede calentarse, el componente de carburo puede enfriarse cuando sea apropiado, o puede utilizarse una combinación controlada de ambos métodos.
Cuando las temperaturas se igualan, la interferencia dimensional genera la presión de contacto y la retención previstas.
El ajuste por contracción puede reducir la fuerza de deslizamiento necesaria durante el montaje, pero introduce consideraciones adicionales relacionadas con:
- temperaturas de montaje;
- gradientes térmicos;
- expansión térmica;
- intervalos de temperatura admisibles para los materiales;
- tolerancias dimensionales;
- esfuerzos residuales;
- y control del proceso.
Ninguno de los dos métodos es universalmente superior. La selección debe depender de la geometría del componente, los materiales, los requisitos de interferencia, la capacidad de montaje, la temperatura de servicio, la retención necesaria y el riesgo de dañar el carburo.
4. La interferencia es un parámetro de diseño del sistema
La interferencia es la diferencia dimensional entre las superficies de acoplamiento del carburo y el acero antes del montaje, bajo una condición de referencia definida.
La interferencia necesaria no debe seleccionarse mediante un porcentaje universal ni una regla dimensional fija.
Depende de factores interrelacionados, entre ellos:
- geometría y espesor de pared del carburo;
- geometría y rigidez del alojamiento de acero;
- propiedades elásticas de ambos materiales;
- tolerancias dimensionales;
- diámetro de la interfaz;
- presión de contacto necesaria;
- cargas axiales y pares de torsión;
- estado de las superficies;
- coeficiente de fricción;
- temperatura de operación;
- expansión térmica;
- método de montaje;
- y ciclos mecánicos y térmicos previstos.
El diseño debe proporcionar suficiente retención sin crear esfuerzos inaceptables en el carburo ni deformación permanente en el acero.
Para conjuntos críticos, los cálculos analíticos, el análisis numérico apropiado, las pruebas controladas de montaje y la validación en la aplicación pueden formar parte del proceso de diseño.
5. Distribución de esfuerzos en el carburo y el acero
La interferencia genera presión de contacto en la interfaz carburo-acero.
El estado de esfuerzos resultante depende de la geometría del componente y no puede describirse simplemente como «compresión en el carburo y tracción en el acero».
Aunque la interferencia puede colocar zonas importantes del carburo bajo esfuerzos de compresión favorables, también pueden desarrollarse esfuerzos locales de tracción, esfuerzos cortantes o esfuerzos de flexión dependiendo de:
- la geometría del orificio interior;
- el espesor de pared;
- los hombros y las transiciones de sección;
- los efectos en los extremos;
- la longitud de la interfaz;
- el contacto desigual;
- la desalineación durante el montaje;
- las cargas externas;
- y las condiciones térmicas.
Esto es especialmente importante para anillos, manguitos y bujes de carburo, donde una interferencia excesiva o una geometría desfavorable pueden contribuir al agrietamiento.
Por lo tanto, debe considerarse el campo completo de esfuerzos y no únicamente la interferencia nominal.
6. Espesor de pared y geometría del carburo
El espesor de pared del carburo influye considerablemente en la rigidez y en la respuesta a los esfuerzos de manguitos, anillos y bujes.
Una sección de carburo relativamente delgada puede ser más sensible a:
- deformación radial;
- presión de contacto localizada;
- variaciones geométricas;
- zonas sin soporte adecuado;
- esfuerzos de montaje;
- y cargas mecánicas externas.
Sin embargo, no existe un espesor mínimo universal expresado como porcentaje del diámetro del componente.
El espesor apropiado depende de:
- diámetros interior y exterior;
- longitud del componente;
- grado de carburo;
- condiciones de soporte;
- interferencia;
- cargas de operación;
- condiciones térmicas;
- capacidad de fabricación;
- y variación dimensional admisible.
Los cambios bruscos de sección también deben evaluarse cuidadosamente porque pueden introducir concentraciones de esfuerzos locales.
7. Rigidez del alojamiento de acero
El alojamiento de acero forma parte del sistema de ajuste por interferencia y no debe tratarse como un soporte perfectamente rígido.
Bajo la presión existente en la interfaz, el alojamiento puede expandirse elásticamente. La magnitud de la deformación depende de:
- espesor de pared del alojamiento;
- grado del acero y sus propiedades mecánicas;
- diámetro exterior;
- ranuras, orificios, chaveteros u otras discontinuidades;
- geometría local;
- y soporte estructural circundante.
Si el alojamiento experimenta una deformación elástica excesiva, la retención disponible puede disminuir. Si se deforma plásticamente, el ajuste previsto puede alterarse permanentemente.
Por lo tanto, el alojamiento debe diseñarse conjuntamente con el componente de carburo y no después de haber fijado definitivamente las dimensiones del carburo.
8. Estado superficial y geometría de acoplamiento
El estado superficial es una variable funcional importante en los conjuntos con interferencia.
Puede afectar a:
- la fricción durante el montaje;
- el contacto efectivo;
- las concentraciones locales de esfuerzos;
- la consistencia dimensional;
- el comportamiento frente al desgaste por micromovimientos (fretting);
- y la repetibilidad entre conjuntos.
Las superficies de acoplamiento de carburo suelen rectificarse con precisión cuando el control dimensional y la integridad superficial son importantes.
Las superficies de acoplamiento de acero también deben fabricarse con una precisión dimensional y un estado superficial adecuados para el método de montaje seleccionado.
En lugar de aplicar una única especificación universal de rugosidad superficial, el acabado requerido debe determinarse según el tamaño del componente, las tolerancias, el proceso de montaje, los requisitos de retención y las condiciones de servicio.
La geometría de entrada y el tratamiento de los bordes también deben diseñarse para facilitar la alineación y reducir la posibilidad de cargas sobre los bordes del carburo durante el montaje.
9. Expansión térmica diferencial
El carburo de tungsteno cementado y el acero presentan diferentes coeficientes de expansión térmica.
En muchas combinaciones carburo-acero, el acero se expande más que el carburo de tungsteno cementado al aumentar la temperatura. Como resultado, la temperatura de operación puede modificar la presión de la interfaz y la retención efectiva.
Por lo tanto, el comportamiento térmico debe evaluarse en todo el intervalo de temperaturas de servicio previsto y no únicamente a temperatura ambiente.
Entre los factores importantes se incluyen:
- grado de carburo y sistema aglutinante;
- grado de acero;
- dimensiones de los componentes;
- interferencia;
- intervalo de temperaturas de operación;
- gradientes térmicos;
- ciclos de calentamiento y enfriamiento;
- y cargas externas.
Los ciclos térmicos también pueden contribuir, en determinadas aplicaciones, al movimiento de la interfaz, al desgaste por micromovimientos (fretting), a cambios en la presión de contacto o a daños relacionados con la fatiga.
Por lo tanto, el diseño debe verificar una retención adecuada y niveles aceptables de esfuerzo en todo el intervalo térmico relevante.
10. Retención mecánica
Un ajuste por interferencia no tiene que transmitir necesariamente todas las cargas axiales ni todos los pares de torsión únicamente mediante la fricción de la interfaz.
Dependiendo de la aplicación, una retención mecánica positiva puede proporcionar una trayectoria de carga más fiable.
Entre los posibles sistemas de retención se incluyen:
| Método de retención | Función potencial | Consideraciones de ingeniería |
|---|---|---|
| Hombro en el alojamiento de acero | Posicionamiento axial y transferencia de carga | Evitar cargas concentradas sobre los bordes del carburo y utilizar una geometría de transición adecuada. |
| Geometría escalonada del carburo | Posicionamiento o retención axial | Considerar la fabricabilidad del carburo y las concentraciones de esfuerzos. |
| Retenedor roscado o tuerca de bloqueo | Retención axial controlada | Evitar una precarga excesiva o la flexión del carburo. |
| Sujeción mecánica | Retención desmontable | Distribuir la fuerza de sujeción y evitar cargas localizadas. |
| Elemento de transmisión positiva en la estructura de apoyo | Transmisión de par | Mantener las concentraciones elevadas de esfuerzos alejadas de las zonas vulnerables del carburo. |
| Compuesto de fijación o sistema de unión diseñado | Retención complementaria o control de la interfaz | Verificar la compatibilidad con la temperatura, el entorno químico, las cargas y los requisitos de mantenimiento. |
El método apropiado depende de la trayectoria de carga y de las condiciones de servicio.
Cuando existen cargas axiales elevadas, par, vibraciones, impactos o ciclos térmicos, el diseñador debe evaluar si una retención positiva puede reducir la dependencia de una fricción de interfaz incierta.
11. Cómo evitar cargas en los bordes y cargas puntuales
El carburo de tungsteno cementado ofrece un rendimiento especialmente alto cuando las cargas están correctamente distribuidas y son predominantemente compresivas.
El contacto localizado en los bordes, las cargas puntuales, la flexión o las concentraciones severas de esfuerzos pueden aumentar considerablemente el riesgo de astillamiento o fractura.
Entre los posibles problemas se incluyen:
- un hombro de acero con una arista viva en contacto con un borde del carburo;
- asiento incompleto entre las superficies de acoplamiento;
- desalineación durante el prensado;
- un voladizo de carburo sin soporte adecuado;
- cambios bruscos en la sección del carburo;
- contacto desigual alrededor de un manguito o inserto;
- y carga axial transferida a través de una pequeña superficie de contacto.
Por lo tanto, las prácticas de diseño deben procurar:
- proporcionar superficies de soporte amplias y controladas;
- evitar transiciones innecesariamente bruscas;
- utilizar radios o alivios apropiados cuando la geometría lo permita;
- evitar la carga directa de los bordes vulnerables del carburo;
- mantener la alineación durante el montaje;
- y distribuir las cargas mecánicas de la forma más uniforme posible.
12. Modos de falla comunes en conjuntos carburo-acero
El análisis de fallas puede proporcionar información valiosa para determinar si un problema se origina en la selección del material, la interferencia, la geometría, el soporte, el montaje o las condiciones de operación.
Agrietamiento del carburo durante el montaje
Entre los posibles factores se incluyen:
- interferencia excesiva;
- desalineación;
- contacto localizado;
- superficies de acoplamiento dañadas;
- soporte insuficiente;
- geometría desfavorable;
- o fuerza de prensado excesiva.
Agrietamiento del carburo durante el servicio
Entre los posibles factores se incluyen:
- impacto externo o flexión;
- ciclos térmicos;
- cambios en los esfuerzos de la interfaz;
- zonas de carburo sin soporte adecuado;
- concentración de esfuerzos;
- precarga excesiva;
- o desgaste combinado con cargas mecánicas.
Pérdida de retención
Entre los posibles factores se incluyen:
- interferencia efectiva insuficiente;
- deformación del alojamiento de acero;
- expansión térmica;
- desgaste o micromovimientos en la interfaz;
- variación dimensional;
- o retención mecánica insuficiente.
Desgaste por micromovimientos (fretting) o movimiento en la interfaz
Entre los posibles factores se incluyen:
- cargas cíclicas;
- vibraciones;
- cambios en las condiciones térmicas;
- presión de contacto insuficiente;
- o movimiento relativo entre el carburo y la estructura de soporte.
Los patrones de falla deben tratarse como evidencia para el diagnóstico y no como prueba de una única causa fundamental.
13. Procedimiento práctico de diseño para OEM
Un enfoque sistemático ayuda a reducir el riesgo de aplicar reglas genéricas de ajuste a conjuntos de carburo muy diferentes.
Paso 1 — Definir la función
Determinar qué debe resistir el elemento de carburo:
- abrasión;
- erosión por partículas;
- pérdida dimensional;
- impacto;
- cargas mecánicas;
- desgaste combinado con corrosión;
- o combinaciones de estas condiciones.
Paso 2 — Definir la trayectoria de carga
Identificar:
- cargas axiales;
- par de torsión;
- cargas radiales;
- impacto;
- flexión;
- vibración;
- cargas de presión;
- y cargas cíclicas.
Determinar qué cargas deben ser transmitidas por el carburo, el acero, la interfaz y cualquier elemento de retención mecánica.
Paso 3 — Definir el entorno de operación
Considerar:
- temperaturas mínima y máxima de operación;
- ciclos térmicos;
- química del fluido;
- condiciones de corrosión;
- presión;
- contaminación;
- y requisitos de mantenimiento.
Paso 4 — Seleccionar los materiales de carburo y acero
Evaluar el grado de carburo según la resistencia al desgaste, la tenacidad, el sistema aglutinante, los requisitos de resistencia a la corrosión, la geometría y las consideraciones de fabricación.
Seleccionar el acero según su resistencia mecánica, tenacidad, rigidez, resistencia a la corrosión, comportamiento térmico, maquinabilidad y requisitos de montaje.
Paso 5 — Diseñar la interfaz
Evaluar:
- diámetro y longitud de la interfaz;
- espesor de pared del carburo;
- rigidez del alojamiento;
- tolerancias dimensionales;
- interferencia;
- estado superficial;
- geometría de entrada;
- hombros;
- y otros elementos de retención.
Paso 6 — Evaluar los esfuerzos mecánicos y térmicos
Comprobar el conjunto en las condiciones relevantes de fabricación y operación, y no únicamente a la temperatura ambiente nominal.
Para componentes críticos, pueden ser apropiados los cálculos analíticos o el análisis numérico.
Paso 7 — Definir y controlar el proceso de montaje
Especificar:
- inspección de los componentes;
- verificación dimensional;
- limpieza;
- alineación;
- temperatura de montaje cuando corresponda;
- procedimiento de prensado o ajuste por contracción;
- e inspección posterior al montaje.
Paso 8 — Validar y perfeccionar
Las pruebas de prototipos o la validación en campo deben confirmar:
- retención;
- estabilidad dimensional;
- ausencia de agrietamiento del carburo;
- comportamiento frente al desgaste;
- estado de la interfaz;
- y rendimiento en condiciones de operación representativas.
Los resultados de campo pueden utilizarse posteriormente para perfeccionar la interferencia, la geometría, la selección de materiales o la estrategia de retención.
14. Información necesaria para revisar un conjunto carburo-acero
Para componentes OEM personalizados, la información de ingeniería útil incluye:
- planos de los componentes de carburo y acero;
- dimensiones y tolerancias críticas;
- grado de carburo previsto o requisitos del material;
- diámetros de acoplamiento y longitud de la interfaz;
- intervalo de temperaturas de operación;
- cargas axiales y radiales, así como pares de torsión;
- condiciones de presión;
- condiciones de impacto o vibración;
- fluido o entorno químico;
- acabado superficial requerido;
- método de montaje propuesto;
- vida útil esperada;
- y modo de falla observado cuando se rediseña un componente existente.
Cuanto mayor sea la precisión con la que se definan las condiciones de operación y montaje, más eficaz será la evaluación del componente de carburo y de su interfaz.
Conclusión
El éxito de los conjuntos carburo-acero depende de mucho más que seleccionar un porcentaje de interferencia.
El grado de carburo, las propiedades del acero, el espesor de pared, la rigidez del alojamiento, la geometría de la interfaz, las tolerancias dimensionales, el estado superficial, la expansión térmica diferencial, las cargas mecánicas, el método de montaje y los elementos de retención interactúan para determinar el rendimiento.
Por lo tanto, el enfoque más fiable consiste en tratar el carburo, el alojamiento de acero, la interfaz y el sistema de retención como un sistema de ingeniería integrado.
Para aplicaciones OEM, la interferencia debe calcularse y validarse según la geometría real del componente y las condiciones de operación, en lugar de seleccionarse mediante una regla general.