Los componentes de carburo de tungsteno se seleccionan para aplicaciones exigentes por su elevada dureza, resistencia al desgaste y capacidad para mantener dimensiones críticas bajo condiciones severas de operación. Sin embargo, incluso los componentes de carburo correctamente seleccionados terminan por desgastarse o fallar.
Comprender cómo se deteriora un componente es importante porque los distintos modos de falla indican requisitos diferentes de material, diseño y operación.
En laminación, conformado, trefilado o estirado, guiado y otras aplicaciones industriales de alto desgaste, las formas habituales de deterioro incluyen abrasión, desgaste adhesivo, despostillamiento y fractura, daños termomecánicos y pérdida de dimensiones críticas. El desgaste dimensional describe el resultado funcional de la pérdida de material, no un mecanismo físico de desgaste independiente. Varios procesos de deterioro suelen actuar simultáneamente.
Este artículo se centra en herramientas sometidas a contacto intensivo y componentes de precisión resistentes al desgaste. En aplicaciones de manejo de fluidos, lodos o medios químicamente agresivos, la erosión por partículas, la cavitación, la corrosión y sus interacciones también pueden determinar la vida útil del componente y requieren una evaluación específica.
Identificar el mecanismo dominante proporciona una base más sólida para seleccionar un grado de carburo de reemplazo o modificar la geometría del componente que simplemente elegir un material más duro.
Abrasión: eliminación progresiva de material
La abrasión ocurre cuando partículas duras, irregularidades superficiales, el material de la pieza trabajada o residuos de desgaste se desplazan contra una superficie de carburo y eliminan material de forma progresiva.
Es una de las formas más comunes de deterioro de los componentes industriales antidesgaste.
En los carburos cementados a base de WC, los granos duros de carburo de tungsteno proporcionan gran parte de la resistencia del material a la penetración abrasiva, mientras que el aglutinante metálico mantiene la cohesión de la estructura y contribuye a la tenacidad.
Durante el servicio abrasivo, la superficie puede experimentar una combinación de eliminación del aglutinante, daño de los granos de WC, microfracturas, desprendimiento de granos y pérdida progresiva de material. La importancia relativa de estos procesos depende de la microestructura del carburo y de las condiciones de operación.
Factores que afectan el desgaste abrasivo
La resistencia a la abrasión depende de varios factores, entre ellos:
- dureza del carburo;
- tamaño de grano del WC;
- contenido y composición del aglutinante;
- uniformidad microestructural;
- porosidad y otros defectos del material;
- dureza y tamaño de las partículas abrasivas;
- presión de contacto;
- condiciones de deslizamiento o rodadura;
- lubricación;
- geometría del componente.
Con contenido de aglutinante y calidad microestructural comparables, los granos más finos de WC generalmente aumentan la dureza y pueden mejorar la resistencia a la pérdida dimensional por abrasión en aplicaciones adecuadas. Con tamaño de grano comparable, aumentar el contenido de aglutinante de cobalto generalmente mejora la tenacidad a la fractura, pero reduce la dureza y la resistencia al desgaste abrasivo. Estas son tendencias dentro de sistemas de materiales comparables, no reglas universales para todos los mecanismos de desgaste. La resistencia mecánica y la tenacidad a la fractura son propiedades distintas; el tamaño de grano o el porcentaje de aglutinante por sí solos no pueden definir el desempeño completo de un grado ni su idoneidad.
En la práctica, la abrasión puede manifestarse como pérdida progresiva de material superficial, surcos, huellas de desgaste, aumento de los diámetros interiores o pérdida de dimensiones funcionales críticas. Una huella pulida o un cambio dimensional por sí solos no demuestran abrasión; el contacto deslizante, la transferencia de material, la deformación y otros procesos pueden producir señales similares.
El patrón de desgaste observado debe evaluarse junto con las condiciones de operación antes de seleccionar un grado de reemplazo.
Desgaste adhesivo y gripado
El desgaste adhesivo ocurre cuando las superficies deslizantes interactúan con suficiente intensidad para que el material se transfiera de una superficie a otra.
En operaciones de conformado, trefilado o estirado, estampado y guiado, el material transferido desde la pieza trabajada puede acumularse sobre la superficie funcional e interferir con el deslizamiento posterior.
Un daño adhesivo severo puede evolucionar hacia el gripado, con desgarro localizado, aumento de la rugosidad y transferencia de material. La acumulación de material es un indicio útil para el diagnóstico, pero debe confirmarse su origen, ya que los depósitos o residuos compactados pueden parecerse a una transferencia adhesiva.
A diferencia de la abrasión, en la que las partículas duras eliminan material de forma progresiva, el desgaste adhesivo implica una transferencia localizada de material en la interfaz de contacto.
El estado superficial, la presión de contacto, el material de la pieza trabajada, la lubricación, la temperatura y las condiciones de deslizamiento pueden influir en su desarrollo.
La importancia del estado superficial
El acabado superficial es especialmente importante en aplicaciones donde el material de la pieza trabajada se desliza continuamente sobre una superficie de carburo.
Las marcas de mecanizado, las rayaduras, las cavidades, el desprendimiento de granos y otras irregularidades superficiales pueden crear zonas donde comienza a acumularse material.
Una vez que comienza la transferencia, la acumulación resultante puede modificar las condiciones de contacto, aumentar la fricción, dañar la superficie de la pieza trabajada y acelerar el deterioro.
Por esta razón, los requisitos de acabado superficial deben definirse según la aplicación específica, en lugar de aplicar un único valor universal de rugosidad a todos los componentes de carburo.
Cuando el desgaste adhesivo es significativo, las medidas posibles incluyen mejorar el acabado superficial, optimizar la lubricación, revisar la selección del grado de carburo y evaluar un tratamiento superficial o recubrimiento adecuado cuando corresponda.
Despostillamiento y fractura
El carburo de tungsteno combina una dureza muy elevada con una ductilidad considerablemente menor que la de los aceros convencionales.
Por ello, los componentes de carburo pueden ser susceptibles al despostillamiento o a la fractura cuando los esfuerzos locales superan la capacidad del material para resistir la iniciación y propagación de grietas.
El despostillamiento suele comenzar en zonas muy solicitadas, como bordes de corte, esquinas, secciones delgadas, puntos de contacto o áreas con soporte mecánico insuficiente.
Una vez que se desprende un pequeño fragmento, la nueva geometría puede crear una concentración adicional de esfuerzos y favorecer nuevos daños.
Factores que pueden contribuir al despostillamiento
El despostillamiento y la fractura pueden verse afectados por:
- tenacidad insuficiente para la aplicación;
- impactos severos o cargas intermitentes;
- concentraciones de esfuerzos;
- transiciones geométricas abruptas;
- secciones delgadas o sin soporte;
- desalineación;
- presión de contacto local excesiva;
- vibraciones;
- problemas dimensionales o de ajuste;
- defectos microestructurales;
- combinaciones desfavorables de grado y geometría del componente;
- daños superficiales o esfuerzos residuales introducidos durante el rectificado, la electroerosión (EDM) o el mantenimiento;
- cargas repetidas y propagación de grietas por fatiga.
El contenido de aglutinante y el tamaño de grano del WC influyen en el equilibrio entre dureza y tenacidad, pero no deben interpretarse como reglas simples.
Por ejemplo, un grado más duro puede resistir eficazmente el desgaste abrasivo progresivo, pero ser más susceptible al daño de los bordes bajo cargas mecánicas severas. Un grado más tenaz puede resistir mejor el despostillamiento, pero experimentar un desgaste abrasivo más rápido.
El equilibrio adecuado depende del mecanismo real de falla.
Distinguir el desgaste de la falla mecánica
Un componente que pierde material de forma gradual y otro que se fractura repentinamente no necesariamente presentan el mismo problema de material.
El desgaste abrasivo progresivo puede indicar que una mayor resistencia al desgaste sería beneficiosa.
El despostillamiento recurrente de los bordes puede indicar tenacidad insuficiente, esfuerzos localizados excesivos, soporte inadecuado o geometría desfavorable.
Una fractura de gran magnitud requiere un examen más amplio de las cargas mecánicas, la alineación, la geometría del componente, las condiciones de montaje, las propiedades del material, el historial de fabricación y mantenimiento y el equipo circundante. Las grietas pueden originarse en daños de rectificado o en una superficie afectada por la electroerosión, en lugar de deberse únicamente a las cargas en servicio.
Reemplazar simplemente un componente fracturado por un grado de carburo más duro puede, en ocasiones, empeorar el problema si la causa dominante son las cargas mecánicas y no el desgaste abrasivo.
Cargas termomecánicas
Algunos componentes de carburo operan a temperaturas elevadas o bajo ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento.
La laminación en caliente, el conformado a alta velocidad y otros procesos térmicamente exigentes pueden exponer un componente a gradientes de temperatura mientras está sometido simultáneamente a cargas mecánicas.
El calentamiento y enfriamiento no uniformes, o una expansión térmica restringida por el conjunto circundante, pueden generar esfuerzos térmicos cíclicos. La expansión uniforme de un componente sin restricciones no implica, por sí sola, esfuerzos térmicos dañinos. Al combinarse con presión de contacto, torque, flexión, vibraciones u otras cargas mecánicas, estos esfuerzos pueden contribuir a la iniciación y propagación de grietas.
La severidad del daño termomecánico depende de factores como:
- temperatura de operación;
- velocidad de calentamiento y enfriamiento;
- gradientes de temperatura;
- condiciones de enfriamiento;
- dimensiones del componente;
- composición del carburo;
- características del aglutinante;
- cargas mecánicas;
- soporte del componente.
En lugar de utilizar un único umbral de temperatura, los efectos térmicos deben evaluarse como parte del entorno completo de operación. A temperaturas elevadas, el comportamiento del aglutinante, la oxidación, las interacciones químicas y las propiedades del material dependientes de la temperatura también pueden afectar la vida útil. La idoneidad para laminación en caliente u otro proceso de alta temperatura debe evaluarse para el grado y el conjunto específicos.
Agrietamiento térmico y daños superficiales
El daño térmico puede manifestarse como grietas superficiales, redes de grietas, deterioro localizado o pérdida progresiva de material de la superficie funcional.
Sin embargo, la presencia de grietas no demuestra automáticamente que la fatiga térmica sea la única causa.
La sobrecarga mecánica, los impactos, las concentraciones de esfuerzos, los daños superficiales y los defectos preexistentes pueden producir o acelerar un agrietamiento similar.
Por lo tanto, el análisis de fallas debe considerar tanto el historial térmico como las cargas mecánicas.
Cuando los ciclos térmicos repetidos son importantes, la composición del carburo, la geometría del componente, las condiciones de enfriamiento y el sistema completo de herramientas o equipos deben evaluarse conjuntamente.
Desgaste dimensional: cuando el componente sigue intacto, pero ya no cumple las tolerancias
En muchos componentes de precisión de carburo, una falla no significa una fractura.
Un componente puede mantenerse mecánicamente intacto mientras el desgaste progresivo modifica una dimensión crítica lo suficiente como para hacerlo inadecuado para continuar en servicio.
Esto es especialmente importante para:
- matrices de trefilado o estirado;
- bujes guía;
- camisas;
- insertos de precisión;
- componentes de conformado;
- rodillos de laminación;
- otras piezas antidesgaste con dimensiones críticas.
Por ejemplo, una matriz de trefilado o estirado puede desarrollar cambios graduales en su perfil funcional que afecten las dimensiones o el estado superficial del material procesado.
De manera similar, el desgaste de un buje guía puede aumentar la holgura funcional y reducir la precisión de posicionamiento.
La variación dimensional aceptable depende del equipo, la función del componente, las piezas en contacto y las tolerancias requeridas del producto. No existe un límite universal de desgaste aplicable a todos los componentes de carburo.
Los mecanismos de desgaste suelen interactuar
Los componentes industriales de carburo rara vez operan bajo un único mecanismo de desgaste perfectamente aislado.
La abrasión puede aumentar la rugosidad de una superficie y favorecer la transferencia posterior de material. El despostillamiento puede exponer una nueva superficie que se desgasta rápidamente. Los ciclos térmicos pueden favorecer grietas que después se propagan bajo cargas mecánicas.
Por lo tanto, la pérdida dimensional puede ser el resultado final de varios mecanismos que interactúan.
Por esta razón, examinar únicamente el aspecto final de un componente que ha fallado puede, en ocasiones, resultar engañoso.
Una evaluación más útil considera:
- dónde comenzó el desgaste;
- cómo progresó;
- si es uniforme o localizado;
- si el despostillamiento ocurrió antes o después de la pérdida dimensional;
- si hay grietas;
- si cambiaron las condiciones de operación;
- si cambió la alineación o el soporte;
- si cambió la pieza trabajada o el material procesado.
Utilizar los patrones de desgaste para orientar la selección del carburo
El propio componente desgastado puede proporcionar información valiosa para la ingeniería del reemplazo.
Desgaste progresivo uniforme
Si el componente se mantiene mecánicamente intacto, pero pierde material gradualmente, puede ser adecuado dar mayor prioridad a la resistencia al desgaste.
Sin embargo, antes de cambiar el grado deben considerarse el entorno abrasivo, las condiciones de contacto, la lubricación, la geometría y la tenacidad requerida.
Despostillamiento localizado
El despostillamiento localizado de bordes o superficies sugiere que las cargas mecánicas requieren mayor atención.
Aumentar únicamente la dureza puede no resolver el problema. También deben examinarse la tenacidad del carburo, la geometría, las condiciones de soporte, la alineación y los esfuerzos de contacto.
Agrietamiento o fractura
El agrietamiento requiere una investigación más amplia.
Entre los posibles factores se encuentran los impactos, las cargas cíclicas, los efectos térmicos, las concentraciones de esfuerzos, el soporte insuficiente, la desalineación, un equilibrio inadecuado de propiedades del material o una combinación de estos factores.
Acumulación de material por adhesión
El material transferido desde la pieza trabajada o el gripado indican que debe examinarse la interfaz de contacto.
El acabado superficial, la lubricación, el material de la pieza trabajada, las condiciones de operación, el estado superficial del carburo y los tratamientos de superficie adecuados pueden ser relevantes.
Variación dimensional progresiva
Cuando el componente permanece intacto, pero sus dimensiones críticas se desplazan progresivamente fuera de especificación, el problema puede ser desgaste acumulativo y no una falla estructural. Antes de atribuir toda variación dimensional a la eliminación de material, las mediciones también deben considerar la temperatura, la deformación elástica, la deformación permanente, la acumulación de material, la holgura del conjunto y las condiciones de inspección.
En estos casos, los registros de inspección y el historial de servicio son especialmente valiosos para determinar intervalos de reemplazo y evaluar grados alternativos de carburo.
Consideraciones prácticas para prolongar la vida útil
Adaptar el carburo al modo de falla
La selección del grado debe comenzar con el mecanismo de desgaste o falla observado.
Cuando predomina la abrasión, puede ser necesario dar mayor prioridad a la resistencia al desgaste. Cuando predominan el despostillamiento o la fractura, la tenacidad y el soporte mecánico adquieren mayor importancia.
Cuando el desgaste adhesivo es significativo, el estado superficial, la lubricación y el comportamiento de la interfaz pueden ser tan importantes como el grado del carburo que constituye el componente.
Controlar la calidad superficial
Los defectos superficiales pueden influir tanto en el desgaste como en la iniciación de grietas.
Por lo tanto, los requisitos de acabado superficial deben corresponder a la función del componente, el material procesado, las condiciones de contacto y los requisitos dimensionales.
El rectificado de precisión controlado, el pulido y los procesos de acabado adecuados pueden ayudar a obtener el estado superficial requerido para la aplicación. La rugosidad por sí sola no demuestra la integridad superficial; también deben considerarse los daños en los bordes, las microgrietas y cualquier capa afectada cuando corresponda.
Considerar recubrimientos cuando sean adecuados
Los recubrimientos superficiales pueden ser útiles en determinadas aplicaciones para modificar la fricción, reducir la interacción directa con la pieza trabajada o mejorar la resistencia a condiciones específicas de desgaste.
Sin embargo, su desempeño depende del estado del sustrato, el tipo de recubrimiento, la adherencia, la temperatura de operación, los esfuerzos de contacto y el mecanismo de desgaste.
Por lo tanto, un recubrimiento debe considerarse parte del sistema completo del componente, no una solución universal al desgaste. No puede compensar un soporte inadecuado, un sustrato agrietado o un grado de carburo inadecuado. El espesor y las condiciones de deposición deben ser compatibles con las dimensiones críticas y la aplicación, y el desempeño debe validarse en condiciones de servicio representativas.
Monitorear las dimensiones críticas y los patrones de desgaste
La inspección periódica puede identificar el desgaste progresivo antes de que cause una calidad de producto o un desempeño del equipo inaceptables.
Según el componente y la aplicación, la inspección puede incluir medición dimensional, examen visual, inspección superficial y otros métodos adecuados.
Documentar los patrones de desgaste y la vida útil puede proporcionar información especialmente valiosa para optimizar futuros grados y componentes. La sospecha de agrietamiento estructural justifica retirar el componente del servicio hasta que se realice una evaluación por personal calificado. Los límites de reemplazo o reacondicionamiento deben seguir los requisitos del componente y las indicaciones de mantenimiento aplicables al equipo.
Valide los cambios de material o diseño bajo condiciones de operación razonablemente comparables, registrando la tasa de desgaste, la calidad del producto, la frecuencia de despostillamiento o fractura y los intervalos de reemplazo. Un intervalo más largo solo es beneficioso si se mantienen un desempeño y una confiabilidad aceptables.
Información que debe proporcionarse para un componente de reemplazo de carburo
Cuando un componente antidesgaste de carburo existente requiere reemplazo, la información útil para la ingeniería incluye:
- tipo de equipo y componente;
- función del componente;
- material procesado o de la pieza trabajada;
- condiciones de operación;
- grado de carburo o material actual, si se conoce;
- modo de desgaste o falla observado;
- ubicación del desgaste, despostillamiento o agrietamiento;
- dimensiones o referencia del plano;
- tolerancias requeridas;
- requisitos de acabado superficial;
- cantidad estimada;
- vida útil del componente existente.
Cuando los planos están incompletos o no están disponibles, una muestra física también puede servir para la ingeniería inversa.
Sin embargo, una muestra desgastada no debe tratarse automáticamente como representativa de las dimensiones originales. Siempre que sea posible, deben evaluarse las dimensiones funcionales críticas y los márgenes admisibles de desgaste.
Conclusión
Los componentes antidesgaste de carburo de tungsteno pueden deteriorarse mediante varios mecanismos distintos que interactúan entre sí.
La abrasión produce pérdida progresiva de material. El desgaste adhesivo puede causar transferencia de material y gripado durante el contacto deslizante. El despostillamiento y la fractura ocurren cuando los esfuerzos mecánicos superan la capacidad del carburo para resistir la iniciación y propagación de grietas. Las cargas termomecánicas pueden contribuir al agrietamiento bajo ciclos repetidos de temperatura y esfuerzos. La pérdida dimensional resultante de estos procesos puede finalmente hacer que un componente, por lo demás intacto, sea inadecuado para continuar en servicio.
La respuesta más eficaz depende de identificar qué mecanismo está determinando realmente la vida útil del componente.
Por lo tanto, el grado de carburo, el tamaño de grano del WC, el contenido de aglutinante, la geometría del componente, el estado superficial, el entorno de operación, las cargas mecánicas y los requisitos dimensionales deben considerarse conjuntamente.
Comprender por qué el componente existente se desgasta o falla proporciona una base más sólida para seleccionar un grado de carburo y un diseño de reemplazo adecuados, y para lograr un desempeño en servicio más consistente.