Coeficientes de desgaste y reglas de diseño para acero para herramientas

Un número de desgaste que compara entre mecanismos

El coeficiente de desgaste es la forma clásica de poner situaciones de desgaste muy diferentes en una misma escala. Es el volumen de desgaste multiplicado por la dureza de la superficie desgastada, dividido por la carga aplicada y la distancia de deslizamiento, lo que lo hace adimensional. Cuanto mayor es el valor, más severa es la situación de desgaste, y como es adimensional, los valores de un acero en un ensayo de banco y de un troquel en una prensa pueden al menos compararse en orden de magnitud.

El rango observado del coeficiente de desgaste por deslizamiento adimensional para cada mecanismo, de la tabla de origen, donde V es el volumen de desgaste, H la dureza de la superficie desgastada, P la carga aplicada y S la distancia de deslizamiento. Los valores se toman de tribosistemas en los que ese mecanismo es el predominante.

Dos límites de ingeniería acompañan la tabla y ambos son útiles cuando un cliente pregunta cuál debería ser una tasa de desgaste. La mayoría de las aplicaciones de ingeniería requieren un coeficiente de desgaste de 10-5 o menos. Las aplicaciones de cilindros de motores automotrices a menudo requieren 10-8. Un diseño que cae en el rango de 10-3 o 10-2 no está en desgaste leve, sea cual sea el grado.

La misma tabla muestra por qué los dos mecanismos por los que se compra un acero para herramientas son los difíciles de resolver. El desgaste adhesivo y el abrasivo abarcan los rangos más amplios y se sitúan en el extremo severo, y ambos están controlados por el lubricante y el contacto tanto como por el acero. El desgaste corrosivo y el desgaste por fatiga se sitúan en el extremo leve, por lo que una herramienta que falla por cualquiera de ellos generalmente falla por una razón distinta de la dureza.

Qué mecanismo produce cada movimiento y entorno

La segunda tabla es una clasificación operativa más que una tabla de materiales. Responde la pregunta que precede a la selección del grado: dado este movimiento y este entorno, qué mecanismos pueden aparecer, y qué dice la fuente sobre cómo se comporta la situación a medida que cambian las condiciones de operación. El uso práctico es que indica contra cuál de los cuatro mecanismos diseñar antes de nombrar cualquier grado.

Clasificación operativa de las situaciones de desgaste, condensada de la tabla de origen. La fuente añade una nota general de que con fluidos distintos de los lubricantes a menudo se producen efectos sinérgicos entre corrosión y desgaste, que el desgaste oxidativo es probable con metales y cerámicos en todas las situaciones, y que la caracterización operativa puede diferir en distintas ubicaciones de una misma pieza.

Qué clase de material se utiliza frente a cada situación de desgaste

La matriz siguiente es la única tabla de este conjunto que dice tanto sobre para qué no sirve un acero para herramientas como sobre para qué sirve. Una cruz significa que esa clase se utiliza en esa aplicación en la práctica. Los aceros para herramientas llevan una cruz en nueve de las doce columnas, lo que incluye las tres situaciones de deslizamiento y las tres de rodadura, el desgaste por impacto y la abrasión de tres cuerpos, y la cavitación. No llevan cruz en erosión por fluido, erosión por gotas ni erosión por partículas, donde la tabla recurre en cambio a carburos, cerámicos y elastómeros. Esa es la frontera honesta: un acero para herramientas es la respuesta al deslizamiento, la rodadura, el impacto y la abrasión, y no es la respuesta a un chorro de partículas duras o gotas.

Aplicaciones típicas de desgaste para materiales de ingeniería seleccionados, reproducidas de la tabla de origen, en la que una cruz marca las situaciones de desgaste en las que se utiliza cada clase de material. Los tratamientos superficiales, el recargue duro y los recubrimientos blandos se agrupan bajo aleaciones estructurales en la fuente, y los aceros inoxidables, las fundiciones, las aleaciones de alta temperatura, las aleaciones base cobre y los polímeros se dividen cada uno en las familias aquí enumeradas.

Los límites que mantienen un contacto en desgaste leve

Tres umbrales deciden si un diseño se desgasta de forma leve o severa. En una situación no abrasiva de dos cuerpos, las tensiones de contacto deben mantenerse en el rango elástico, y para deslizamiento deben ser una fracción pequeña de la resistencia a la fluencia: generalmente por debajo de 0,5 de la fluencia, y por debajo de 0,2 cuando se requiere una tasa de desgaste muy baja. Para rodadura e impacto las tensiones pueden ser significativamente mayores, por encima de 0,5 de la fluencia, pero solo mientras no haya deslizamiento involucrado.

Donde hay partículas duras, la regla cambia de forma. Para que ocurra desgaste abrasivo o por deformación, la superficie desgastada tiene que ser más blanda que la partícula o la asperidad que causa el daño, por lo que una superficie más dura que el abrasivo elimina el mecanismo de corte. No elimina el desgaste: la fuente es explícita en que los procesos de fatiga y similares a la fatiga siguen siendo posibles y generalmente son más leves. Esa es la diferencia entre diseñar para eliminar la abrasión y diseñar para una vida más larga.

Dos advertencias están por encima de todo esto. Las transiciones de desgaste leve a severo pueden ser bruscas y a menudo se desencadenan por algo ajeno al diseño, como un cambio en la humedad o en las partículas que llegan al contacto. Y las clasificaciones de materiales cambian con el ensayo: las resistencias medidas en un ensayo abrasivo generalmente no están en el mismo orden que las medidas sin abrasión, las clasificaciones lubricadas difieren de las secas, y las clasificaciones a alta velocidad difieren de las de baja velocidad. Un ensayo de desgaste destinado a clasificar materiales tiene que reproducir la carga, la geometría de contacto, los movimientos y el entorno de la aplicación, por lo que un número de banco nunca cierra por sí solo una decisión de grado.

Una técnica que la fuente recomienda cuando los números son escasos es el acotamiento: construir dos proyecciones teóricas del mismo diseño, una optimista y una pesimista, utilizando diferentes modelos de desgaste, y tratar las dos como los límites de la vida esperada. Para deslizamiento, el par habitual es el modelo del factor K frente a la combinación de los modelos de desgaste cero y desgaste medible.

Reglas de diseño para aplicaciones de desgaste

La lista siguiente es el conjunto de reglas de la fuente, en sus propias palabras y su propio orden. Las reglas que aparecen con más frecuencia en el trabajo con acero para herramientas son las de materiales disímiles, lubricación, mantener el contacto en desgaste leve y agarrotamiento, por lo que la tensión umbral de agarrotamiento y el control del mecanismo de desgaste para cada mecanismo se dan en las páginas enlazadas a continuación.

Reglas de diseño para aplicaciones de desgaste, reproducidas de la lista de origen. La entrada final reafirma el punto de propiedad del sistema que la fuente plantea antes de la lista: un material que gana en un ensayo de banco puede no ganar en el trabajo real.

Donde estas reglas se encuentran con un grado específico

Los propios mecanismos, y el factor metalúrgico que mueve cada uno, están en la página de mecanismos de desgaste del acero para herramientas. Cuando la falla ya ocurrió y la pregunta es qué mecanismo la causó, el orden de lectura está en el diagrama de identificación de modos de daño. Para el agarrotamiento en lugar del desgaste en trabajo con acero inoxidable, los umbrales de galling medidos están en la página de galling de aceros para herramientas inoxidables, y los tratamientos superficiales que endurecen la cara de trabajo se comparan en endurecimiento superficial del acero para herramientas y la comparación de procesos de cementación.

Fuente: ASM Handbook, Volume 20, Materials Selection and Design, ASM International, 1997, del artículo sobre diseño para resistencia al desgaste (Table 1, Table 2, Table 5 y Table 7).