Introducción
Los carburos cementados de carburo de tungsteno y cobalto (WC-Co) se utilizan ampliamente en aplicaciones de procesamiento de metales sometidas a alto desgaste, como laminación, conformado, trefilado, estirado y guiado. Su rendimiento puede ajustarse mediante distintas variables del material y de fabricación, entre las que destacan el tamaño de grano del WC y el contenido de cobalto del aglutinante.
Estas variables influyen en el equilibrio entre dureza, resistencia al desgaste, tenacidad y resistencia a la fractura. Por ello, seleccionar un grado adecuado requiere más que elegir el material más duro disponible. También deben considerarse el mecanismo de desgaste o modo de falla dominante, las cargas mecánicas, los requisitos dimensionales, las condiciones de operación y la geometría del componente.
El equilibrio fundamental entre dureza y tenacidad
La selección de un grado de carburo cementado generalmente implica equilibrar dureza y tenacidad.
Una dureza elevada suele favorecer la resistencia al desgaste abrasivo y a la indentación. La resistencia a la deformación permanente también depende de la resistencia a la compresión, del comportamiento del aglutinante, de la temperatura y de las cargas. Una mayor tenacidad a la fractura ayuda a resistir la propagación de grietas y puede reducir el riesgo de astillamiento o fractura. Sin embargo, siguen siendo esenciales una geometría, un soporte, una alineación y un estado superficial adecuados.
Por esta razón, el grado más adecuado depende de cómo falla realmente el componente en servicio. Una pieza que presenta desgaste abrasivo progresivo puede requerir un grado diferente del utilizado para una pieza que sufre astillamiento de bordes o fractura mecánica.
Contenido de cobalto del aglutinante: una variable importante para la tenacidad
En los carburos cementados WC-Co convencionales, el cobalto constituye el aglutinante metálico que rodea los granos duros de WC. Con un tamaño de grano de WC y una calidad microestructural comparables, aumentar el contenido de cobalto suele incrementar la tenacidad a la fractura, al tiempo que reduce la dureza y la resistencia al desgaste abrasivo. Estas tendencias no permiten predecir la resistencia a todos los mecanismos de desgaste, especialmente cuando intervienen adhesión, corrosión o temperaturas elevadas.
Por ello, los grados con menor contenido de cobalto suelen considerarse cuando el desgaste abrasivo y la estabilidad dimensional son los requisitos principales y los impactos mecánicos son limitados. Los grados con mayor contenido de cobalto pueden resultar más adecuados cuando los impactos, las vibraciones, las cargas intermitentes o la fractura representan un riesgo mayor.
Sin embargo, el porcentaje de cobalto no debe ser el único criterio de selección. Dos grados con contenidos similares pueden presentar rendimientos diferentes debido a variaciones en el tamaño de grano del WC, la composición del carburo, los aditivos, la porosidad, la uniformidad microestructural y las condiciones de fabricación.
Por lo tanto, los grados de carburo deben evaluarse como sistemas completos de materiales, en lugar de seleccionarse únicamente según el porcentaje de aglutinante.
Tamaño de grano del WC: control del desgaste y del comportamiento mecánico
El tamaño de grano del WC constituye otra variable importante para ajustar el rendimiento del carburo.
Con contenidos de aglutinante comparables, reducir el tamaño de grano del WC generalmente aumenta la dureza y puede mejorar la resistencia al desgaste abrasivo y a la pérdida dimensional. Por ello, los grados de grano fino, submicrométrico y ultrafino se consideran con frecuencia para aplicaciones de precisión en las que son importantes el estado superficial, la estabilidad dimensional y la resistencia al desgaste.
La relación entre tamaño de grano y tenacidad es más compleja.
Con contenidos de aglutinante similares, los granos de WC más finos suelen aumentar la dureza, mientras que los granos más gruesos a menudo proporcionan una mayor tenacidad a la fractura. No obstante, los grados de grano fino también pueden alcanzar una alta resistencia mecánica y una tenacidad adecuada mediante un contenido de aglutinante apropiado y un buen control microestructural. La resistencia a la ruptura transversal no debe confundirse con la tenacidad a la fractura: un valor elevado de resistencia a la ruptura no implica necesariamente una mayor resistencia a la propagación de grietas. El rendimiento también depende de la distribución del tamaño de grano, la homogeneidad microestructural, el control del crecimiento de grano, los defectos y las condiciones de carga.
Durante la fabricación pueden utilizarse inhibidores del crecimiento de grano, como VC y Cr₃C₂, para controlar el crecimiento de los granos de WC y mantener la microestructura prevista.
Los grados de grano más grueso pueden ser ventajosos en aplicaciones con cargas mecánicas o impactos importantes, especialmente cuando se combinan con un contenido de aglutinante adecuado. La selección final debe reflejar el equilibrio real que se necesita entre resistencia al desgaste y resistencia a la fractura.
Selección según la aplicación: laminación, conformado, trefilado, estirado y guiado
Los mismos principios básicos se aplican a las distintas operaciones de procesamiento de metales, pero el equilibrio requerido varía considerablemente según las condiciones de operación.
Aplicaciones de laminación
Los componentes de laminación pueden estar expuestos a altos esfuerzos de contacto, cargas repetidas, fricción y desgaste superficial progresivo. Este análisis se centra principalmente en la laminación en frío. La laminación en caliente también requiere evaluar los ciclos térmicos, el enfriamiento, la oxidación y la idoneidad del sistema de aglutinante. En la laminación en frío de precisión, la estabilidad dimensional y el estado superficial pueden ser especialmente importantes, ya que el desgaste del rodillo afecta directamente al material procesado.
Por ello, los grados destinados a estas aplicaciones generalmente necesitan una alta resistencia al desgaste y una tenacidad suficiente para soportar las cargas de operación sin agrietamiento prematuro ni daño en los bordes.
El tamaño de grano del WC y el contenido de aglutinante adecuados dependen de factores como la presión de laminación, el material procesado, la geometría del rodillo, los requisitos de acabado superficial, las condiciones de enfriamiento y el diseño mecánico del conjunto de laminación.
Aplicaciones de conformado y estampado
Las herramientas de conformado y estampado pueden experimentar una combinación de desgaste abrasivo, desgaste adhesivo, cargas cíclicas, astillamiento de bordes y esfuerzos mecánicos localizados.
Los grados de grano fino o submicrométrico pueden proporcionar una alta resistencia al desgaste en operaciones de conformado de precisión de gran volumen. Sin embargo, pueden requerirse grados más tenaces cuando aumentan el espesor del material, los impactos mecánicos, las cargas intermitentes o el riesgo de fractura.
En lugar de seleccionar un grado únicamente según el volumen de producción, los ingenieros deben examinar el modo de falla observado. El desgaste dimensional progresivo puede indicar la necesidad de una mayor resistencia al desgaste. El agrietamiento o el astillamiento requieren revisar la tenacidad del grado, el soporte de la herramienta, la geometría de los bordes, la alineación, las concentraciones de esfuerzos y los daños causados por rectificado o electroerosión antes de cambiar el grado.
Aplicaciones de trefilado y estirado
El trefilado de alambres y el estirado de tubos implican un contacto deslizante continuo bajo una presión considerable. Las hileras y matrices pueden sufrir desgaste abrasivo, desgaste adhesivo, daños superficiales y un aumento gradual de sus dimensiones críticas.
Los grados de carburo duros y resistentes al desgaste se utilizan comúnmente cuando se requiere estabilidad dimensional y una larga vida útil. Las microestructuras finas y submicrométricas pueden ser ventajosas en aplicaciones que exigen tolerancias estrechas o acabados superficiales de alta calidad.
No obstante, el grado óptimo también depende del material procesado, la lubricación, la relación de reducción, la velocidad de trefilado o estirado, la geometría de la matriz, el acabado superficial y la alineación mecánica.
Aplicaciones de guiado
Las guías de desgaste, los componentes de guiado, los bujes y las piezas similares suelen funcionar bajo contacto deslizante repetido. Su rendimiento depende de mantener la geometría y las holguras funcionales mientras resisten el desgaste, las vibraciones y las cargas localizadas.
Un grado con un equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad suele ser apropiado para estas aplicaciones. Los sistemas de guiado de alta precisión pueden beneficiarse de grados de grano fino cuando debe minimizarse la pérdida dimensional. Las aplicaciones con mayores vibraciones o cargas mecánicas pueden requerir una tenacidad adicional.
Recubrimientos e ingeniería de superficies
Los tratamientos superficiales y los recubrimientos pueden ofrecer una vía adicional para controlar la fricción, la adhesión, la oxidación, los efectos térmicos y el desgaste superficial.
Para determinadas aplicaciones de conformado, trefilado, estirado o contacto deslizante, pueden considerarse recubrimientos como TiN, CrN o DLC después de una evaluación específica. Los recubrimientos TiAlN y los basados en AlCr suelen asociarse con aplicaciones de corte sometidas a exigencias térmicas importantes. No deben presentarse como opciones habituales para todos los componentes de conformado o guiado. Su rendimiento depende de la preparación del sustrato, la temperatura de deposición, el espesor y la adherencia del recubrimiento, la presión de contacto, la lubricación, el material trabajado y el mecanismo de desgaste dominante.
Por lo tanto, un recubrimiento no sustituye la selección adecuada del sustrato. El grado de carburo y el sistema superficial deben diseñarse conjuntamente.
En algunas aplicaciones, un recubrimiento validado puede mejorar la resistencia al desgaste superficial y permitir el uso de un grado de sustrato más tenaz. Esta combinación debe confirmarse en condiciones representativas del servicio. El recubrimiento no puede compensar una resistencia mecánica, un soporte o una geometría inadecuados del sustrato. En otros casos, un recubrimiento inadecuado puede aportar pocos beneficios o fallar prematuramente.
Guía práctica para seleccionar un grado
Un proceso práctico de selección puede comenzar con cuatro preguntas.
1. ¿Cuál es el mecanismo de desgaste o modo de falla dominante?
Si el componente presenta desgaste abrasivo progresivo, pérdida dimensional, surcos o deterioro superficial, puede requerirse una mayor dureza y resistencia al desgaste.
Si presenta grietas, astillamiento de bordes o fractura, deben revisarse la tenacidad, el soporte, la alineación, las concentraciones de esfuerzos y los daños superficiales. Aumentar únicamente el contenido de aglutinante puede no resolver el problema.
2. ¿Qué tan severas son las cargas mecánicas?
Un contacto uniforme y continuo generalmente permite dar mayor prioridad a la dureza y a la resistencia al desgaste. Los impactos, las vibraciones, la desalineación, las cargas intermitentes y las concentraciones de esfuerzos aumentan la importancia de la tenacidad.
3. ¿Qué tan crítica es la estabilidad dimensional?
Las aplicaciones que requieren tolerancias estrechas durante largas series de producción necesitan grados con una resistencia al desgaste adecuada, junto con un control de la geometría, el acabado superficial, la temperatura y las condiciones de montaje.
4. ¿Son adecuados los tratamientos superficiales o recubrimientos?
En aplicaciones apropiadas, los recubrimientos pueden reducir la fricción, la transferencia de material o el desgaste superficial. Antes de utilizarlos, deben evaluarse su adherencia, las condiciones de deposición, su efecto dimensional y sus límites de servicio.
Más allá del tamaño de grano y del contenido de cobalto
El tamaño de grano del WC y el contenido de cobalto son puntos de partida importantes, pero no definen por completo el rendimiento del carburo.
Una recomendación fiable también puede considerar:
- la composición del carburo y los aditivos;
- la distribución del tamaño de grano y la uniformidad microestructural;
- la densidad y la porosidad;
- la geometría del componente y las concentraciones de esfuerzos;
- el acabado superficial;
- las tolerancias dimensionales;
- la temperatura de operación;
- la lubricación y el enfriamiento;
- el material de la pieza trabajada o el material procesado;
- los impactos, las vibraciones y las cargas cíclicas;
- los requisitos de recubrimiento;
- el mecanismo de desgaste o modo de falla observado en el componente existente.
Para los componentes de reemplazo, examinar la pieza existente y su patrón de falla puede aportar información especialmente valiosa para optimizar el grado.
Conclusión
La selección del grado de carburo para el procesamiento de metales sometido a alto desgaste requiere un equilibrio específico para cada aplicación entre resistencia al desgaste, estabilidad dimensional y resistencia a las fallas mecánicas.
Un menor contenido de aglutinante y una estructura de WC más fina generalmente pueden aumentar la dureza y la resistencia al desgaste. Un mayor contenido de aglutinante y, en aplicaciones apropiadas, microestructuras más gruesas pueden proporcionar una mayor resistencia a la fractura y a las cargas mecánicas. Sin embargo, estas relaciones deben tratarse como tendencias de ingeniería, no como reglas absolutas.
En aplicaciones de laminación, conformado, trefilado, estirado y guiado, el grado más adecuado depende del mecanismo de desgaste real, las cargas de operación, la geometría del componente, los requisitos de precisión y el modo de falla observado.
El enfoque más eficaz consiste en evaluar el grado de carburo como parte del sistema completo del componente, adaptando la composición del material, la microestructura, la geometría, el estado superficial y cualquier recubrimiento o tratamiento a las condiciones encontradas en servicio.