En la producción de cemento y la generación de energía, el desgaste rara vez es causado por un solo mecanismo. Los componentes críticos sometidos a desgaste pueden estar expuestos simultáneamente a partículas abrasivas, erosión a alta velocidad, cargas mecánicas, temperaturas elevadas, ciclos térmicos, vibraciones y entornos corrosivos específicos de la aplicación.
Por ejemplo, los componentes relacionados con el manejo de carbón pulverizado, el procesamiento de clínker, el manejo de cenizas, los clasificadores, los separadores y otros sistemas de servicio severo pueden experimentar combinaciones de erosión por partículas y esfuerzos mecánicos o térmicos.
En estas condiciones, seleccionar un grado de carburo de tungsteno no consiste simplemente en elegir la mayor dureza disponible. Una selección eficaz requiere un equilibrio adecuado entre dureza, tenacidad, características del aglutinante, microestructura, condiciones térmicas y resistencia al entorno, de acuerdo con los mecanismos de falla dominantes.
Aunque las formulaciones de carburo cementado pueden ser considerablemente más complejas, tres factores son especialmente importantes al evaluar grados para aplicaciones de servicio severo.
El tamaño de grano del carburo de tungsteno influye considerablemente en la relación entre la dureza, la resistencia al desgaste y la tenacidad.
Los grados de WC de grano fino y ultrafino generalmente proporcionan una dureza elevada y pueden ofrecer una excelente resistencia al desgaste abrasivo y erosivo. Por lo tanto, pueden resultar ventajosos cuando la eliminación de material causada por partículas es el mecanismo de falla dominante y las cargas de impacto son limitadas.
Los grados de grano más grueso suelen considerarse cuando se requiere una mayor resistencia a la fractura y tenacidad, particularmente cuando los componentes están sometidos a impactos, cargas de choque u otras condiciones mecánicas exigentes.
Sin embargo, el tamaño de grano no debe considerarse de manera independiente. Su efecto depende del contenido y la composición del aglutinante, el procesamiento y la microestructura general del carburo cementado.
El cobalto se utiliza ampliamente como aglutinante metálico en los carburos cementados WC-Co convencionales.
El aumento del contenido de aglutinante generalmente mejora la tenacidad y la resistencia a la fractura, pero reduce la dureza y, en muchas aplicaciones abrasivas, la resistencia al desgaste. Un menor contenido de aglutinante generalmente favorece la dureza y la resistencia al desgaste, pero puede reducir la tolerancia a los impactos y a los choques mecánicos.
La composición del aglutinante también puede ajustarse de acuerdo con el entorno operativo. Los sistemas de aglutinante que contienen níquel u otros sistemas alternativos pueden considerarse para determinadas aplicaciones en las que la resistencia a la corrosión u otros requisitos ambientales sean importantes.
Por lo tanto, el sistema de aglutinante adecuado debe seleccionarse de acuerdo con la combinación de desgaste, cargas mecánicas, temperatura y entorno del proceso, y no en función de una sola propiedad del material.
Los carburos secundarios y las adiciones de elementos de aleación —incluidos TaC, NbC, TiC, adiciones que contienen Cr y otras modificaciones de la formulación— pueden utilizarse en determinados sistemas de carburo cementado para controlar el crecimiento de grano y modificar el comportamiento mecánico, térmico, químico o tribológico.
Sus efectos dependen en gran medida de la composición, la concentración, la microestructura, el proceso de fabricación y la temperatura de servicio.
Por esta razón, estas adiciones no deben considerarse soluciones universales para el desgaste a altas temperaturas. Forman parte de una estrategia de diseño de grados específica para cada aplicación.
El grado de carburo adecuado depende principalmente del mecanismo de falla dominante y de la combinación de condiciones operativas experimentadas por el componente.
Ejemplos: determinadas boquillas, manguitos, insertos de desgaste, componentes de clasificadores, componentes de separadores y otras superficies de desgaste expuestas a partículas.
Cuando la pérdida de material está dominada por partículas abrasivas o por erosión de partículas, y el impacto mecánico es relativamente limitado, una alta dureza y resistencia al desgaste se convierten en criterios importantes de selección.
Los grados basados en WC de grano fino con un contenido de aglutinante adecuadamente controlado pueden proporcionar una excelente resistencia al corte, al rayado y al microarado causados por las partículas.
Sin embargo, el grado adecuado no puede seleccionarse únicamente en función del contenido de cobalto. También deben evaluarse el tamaño, la dureza, la velocidad y la concentración de las partículas, el ángulo de impacto, la geometría del componente, la temperatura de operación y las cargas mecánicas.
Un grado de alta dureza y bajo contenido de aglutinante puede ofrecer un excelente rendimiento en condiciones abrasivas controladas, pero puede no ser adecuado cuando existen impactos o vibraciones considerables.
Ejemplos: determinados componentes de molienda, componentes de pulverizadores, pernos de desgaste, insertos y componentes expuestos tanto a la abrasión como a cargas mecánicas.
Cuando un componente experimenta cargas mecánicas significativas además del desgaste abrasivo, maximizar únicamente la dureza puede aumentar el riesgo de agrietamiento o fractura.
Un grado de carburo con mayor tenacidad —que a menudo incorpora una combinación adecuada de tamaño de grano del WC y contenido de aglutinante— puede ofrecer un mejor equilibrio entre la resistencia al desgaste y la confiabilidad mecánica.
A medida que aumenta el contenido de aglutinante, la tenacidad generalmente mejora, pero esto viene acompañado de una disminución de la dureza y posiblemente de la resistencia a la abrasión. Por lo tanto, la selección del grado se convierte en un compromiso de ingeniería entre requisitos contrapuestos.
El objetivo no es seleccionar el grado más duro ni el más tenaz, sino identificar una microestructura capaz de soportar la combinación real de condiciones de desgaste y carga.
El servicio a altas temperaturas requiere especial precaución.
El carburo de tungsteno cementado conserva propiedades mecánicas útiles a temperaturas elevadas, pero su comportamiento depende en gran medida de la composición del grado, la atmósfera, el tiempo de exposición, los ciclos térmicos, las cargas mecánicas y si la superficie del carburo está directamente expuesta a condiciones oxidantes.
A temperaturas suficientemente elevadas en presencia de aire, la oxidación de los carburos cementados basados en WC adquiere una importancia cada vez mayor. El aglutinante metálico y la microestructura general también pueden experimentar cambios que reduzcan el rendimiento mecánico y la resistencia al desgaste.
En consecuencia, un grado de carburo de tungsteno que ofrece un rendimiento excepcional a temperaturas moderadas puede no ser adecuado para una exposición directa y prolongada a temperaturas considerablemente más altas.
El TaC, el NbC, el TiC y otras adiciones relacionadas se utilizan en determinadas formulaciones de carburo cementado para influir en el crecimiento de grano, la estabilidad microestructural y las propiedades a temperaturas elevadas.
Sin embargo, sus beneficios son específicos de cada formulación y deben evaluarse en relación con la combinación real de temperatura, mecanismo de desgaste, cargas mecánicas y atmósfera.
Las adiciones que contienen cromo también se utilizan en algunas formulaciones de carburo cementado, incluso como inhibidores del crecimiento de grano y para modificar determinadas propiedades del material.
Su influencia en el comportamiento frente a la corrosión y la oxidación depende del sistema completo de carburo y aglutinante, así como de las condiciones de procesamiento. Por lo tanto, no es apropiado suponer que las adiciones de cromo siempre generan una capa protectora de Cr2O3 o aumentan la temperatura operativa permitida en una cantidad fija.
Los sistemas de aglutinante que contienen níquel y otros sistemas alternativos pueden ofrecer ventajas en determinados entornos corrosivos o de temperatura elevada.
Los conceptos avanzados de aglutinantes, incluidos los sistemas de aleaciones multicomponente, también son objeto de investigaciones continuas en el campo de los materiales. Sin embargo, los resultados de laboratorio obtenidos con carburos cementados experimentales no deben interpretarse automáticamente como un rendimiento industrial comprobado en aplicaciones de cemento o generación de energía.
Para los componentes de producción, la selección del material debe basarse en las propiedades validadas del grado, el diseño del componente, las condiciones reales de servicio y, cuando sea necesario, pruebas específicas para la aplicación.
Una distinción importante desde el punto de vista de ingeniería es que la temperatura del proceso no es necesariamente igual a la temperatura del componente.
Un sistema de producción de cemento o generación de energía puede contener gases o materiales de proceso a temperaturas muy elevadas, mientras que un componente de carburo, un inserto, una superficie de desgaste protegida o un componente expuesto de forma intermitente funciona a una temperatura considerablemente diferente.
Por lo tanto, la selección del grado debe basarse en la temperatura real experimentada por el componente de carburo, incluidos los siguientes factores:
Esta distinción es particularmente importante al evaluar el carburo de tungsteno para aplicaciones a altas temperaturas en los sectores del cemento y la generación de energía.
Un proceso práctico de selección de grados debe comenzar con la identificación de los mecanismos de falla dominantes, en lugar de seleccionar un material basándose únicamente en los datos de dureza.
Para condiciones de abrasión severa con impactos limitados, se puede priorizar una mayor dureza y resistencia al desgaste.
Para condiciones que combinan abrasión e impacto, un grado de carburo con mayor tenacidad puede proporcionar un mejor rendimiento general en servicio.
Para servicios a temperaturas elevadas, deben considerarse el comportamiento frente a la oxidación, las características del aglutinante, la estabilidad microestructural, la duración de la exposición y los ciclos térmicos, además de la dureza y la tenacidad convencionales.
En entornos de proceso corrosivos, la composición química del aglutinante y la compatibilidad química pueden adquirir la misma importancia.
En muchas aplicaciones reales, varios de estos mecanismos se presentan simultáneamente. Por lo tanto, el grado con mejor rendimiento suele ser el que proporciona el equilibrio de propiedades más adecuado, en lugar del valor máximo de una sola propiedad.
Seleccionar carburo de tungsteno para aplicaciones de cemento y generación de energía es más complejo que elegir el grado más duro disponible.
Una selección eficaz del material requiere comprender cómo falla realmente el componente: por abrasión, erosión por partículas, impacto, cargas mecánicas, ciclos térmicos, oxidación, corrosión o, más comúnmente, por una combinación de varios mecanismos.
El tamaño de grano del WC, el contenido y la composición del aglutinante, los carburos secundarios, la microestructura, la geometría del componente y la calidad de fabricación influyen en el rendimiento. Estas variables deben evaluarse en función del entorno operativo real.
Al adaptar el grado de carburo y el diseño del componente a los mecanismos de desgaste dominantes, las cargas mecánicas, la temperatura de operación y el entorno del proceso, los ingenieros pueden lograr un equilibrio más eficaz entre la resistencia al desgaste, la tenacidad, la estabilidad dimensional y la confiabilidad en servicio para las exigentes aplicaciones de cemento y generación de energía.