¿Qué es el desgaste por cavitación? Definición

En general, el desgaste es un daño superficial inducido mecánicamente que da como resultado la eliminación progresiva de material debido al movimiento relativo entre esa superficie y una sustancia o sustancias en contacto. Una sustancia en contacto puede consistir en otra superficie, un fluido o partículas abrasivas duras contenidas en alguna forma de fluido o suspensión, como un lubricante, por ejemplo. Como ocurre con la fricción, la presencia de desgaste puede ser buena o mala. El desgaste productivo y controlado se puede encontrar en procesos como mecanizado, corte, rectificado y pulido. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones tecnológicas, la aparición de desgaste es altamente indeseable y es un problema enormemente costoso ya que conduce al deterioro o incluso al fallo de los componentes. En términos de seguridad, a menudo no es tan grave (o tan repentino) como una fractura. Esto se debe a que generalmente se anticipa el desgaste.

Ciertas características del material, como la dureza , el tipo de carburo y el porcentaje de volumen, pueden tener un impacto decisivo en la resistencia al desgaste de un material en una aplicación determinada. El desgaste , como la corrosión, tiene múltiples tipos y subtipos, es predecible hasta cierto punto y es bastante difícil de probar y evaluar de manera confiable en el laboratorio o en servicio.

Desgaste por cavitación

El desgaste por cavitación es un proceso de degradación progresiva del material debido a la nucleación repetida, el crecimiento y el colapso violento de las cavidades en un líquido que fluye cerca del material. La fatiga por cavitación es un tipo específico de mecanismo de daño causado por vibraciones y movimientos repetidos debido al contacto con líquidos que fluyen, siendo el agua el fluido más común. La cavitación  es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación provoca  daños en los componentes  (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.

Quizás el problema de ingeniería más importante causado por la cavitación es el  daño material  que pueden causar las burbujas de cavitación cuando  colapsan  cerca de una superficie sólida. El colapso de las burbujas de cavitación es un proceso violento que genera  ondas de choque  y  microjets altamente localizados . Forzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y estas perturbaciones intensas generan tensiones superficiales transitorias y altamente localizadas en una superficie sólida. Los signos de  erosión  aparecerán como  picaduras  debido a la acción de golpe de ariete de las burbujas de vapor que colapsan. Se ha encontrado que las tasas de daño por cavitación  aumentan rápidamente. con el aumento del caudal volumétrico.

Los materiales más  blandos  pueden dañarse incluso por la  aparición de  cavitación a corto plazo . Se pueden observar hoyos individuales después del colapso de una sola burbuja. Por lo tanto, se utilizan materiales más duros para las  bombas centrífugas . Pero con los materiales más duros utilizados en la mayoría de las aplicaciones, la  tensión cíclica  debida a colapsos repetidos puede causar  fallas por fatiga de la superficie local . Por lo tanto, el daño por cavitación a los metales generalmente tiene la apariencia de  falla por fatiga .

Cuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando puntos de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las últimas de las cuales son una fuente de ruido. Aunque el colapso de una pequeña cavidad es un evento de energía relativamente baja, los colapsos muy localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un gran desgaste de los componentes y pueden acortar drásticamente la vida útil de una hélice o bomba.

La cavitación suele ir acompañada también de:

• Ruido.  El ruido típico es causado por el colapso de las cavidades. El nivel de ruido que resulta de la cavitación es una medida de la gravedad de la cavitación.
• Vibración . Las vibraciones de la bomba debido a la cavitación son vibraciones de baja frecuencia características, que generalmente se encuentran en el rango de 0 a 10 Hz.
• Reducción de la eficiencia de la bomba . Una disminución en la eficiencia de la bomba es un signo más confiable de cavitación.

Prevención de la cavitación

Los hoyos pueden variar en tamaño desde muy pequeños hasta muy grandes, o incluso pueden penetrar completamente el espesor de un metal. El daño a la estructura puede ser catastrófico y las pérdidas en la eficiencia funcional pueden ser sustanciales. Los métodos para lidiar con este problema incluyen:

• Incrementando la dureza y resistencia del metal. Sin embargo, esto solo puede retrasar el problema en lugar de prevenirlo.
• Incrementando la rigidez de la pieza. Esto debería reducir su amplitud de vibración, aumentando así su frecuencia de vibración natural. Puede ser posible aumentar el grosor de la pared o agregar nervios de refuerzo para cambiar las características de vibración.
• Incrementando la tersura de la superficie. Las caries tienden a agruparse en ciertas áreas de baja presión. Puede ser posible eliminar picos y valles superficiales dispersando las cavidades.

Dureza superficial y resistencia al desgaste

La dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión por vapor, aceite y agua generalmente aumenta con la dureza. Si la dureza del material es mayor que la del material abrasivo, se producirá una menor tasa de desgaste.

El endurecimiento de la superficie o endurecimiento de la superficie es el proceso en el que se mejora la dureza de la superficie (carcasa) de un objeto, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente. Después de este proceso, se mejoran la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste y la vida útil a la fatiga. Esto se logra mediante varios procesos, como un proceso de carburación o nitruración mediante el cual un componente se expone a una atmósfera carbonosa o nitrogenada a temperatura elevada. Como se escribió, se ven influidas dos características principales del material:

• La dureza y la resistencia al desgaste se mejoran significativamente . En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie ( deformación plástica localizada ) y el rayado . La dureza es probablemente la propiedad del material menos definida porque puede indicar resistencia al rayado, resistencia a la abrasión, resistencia a la indentación o incluso resistencia a la deformación o deformación plástica localizada. La dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión por vapor, aceite y agua generalmente aumenta con la dureza.
• La tenacidad no se ve afectada negativamente . La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. Una definición de tenacidad (para alta tasa de deformación, tenacidad a la fractura ) es que es una propiedad que indica la resistencia de un material a la fractura cuando hay una grieta (u otro defecto que concentra la tensión).

Para el hierro o acero con bajo contenido de carbono, que tiene una templabilidad deficiente o nula, el proceso de cementación implica la infusión de carbono o nitrógeno adicional en la capa superficial. El endurecimiento de la caja es útil en piezas como una leva o una corona dentada que deben tener una superficie muy dura para resistir el desgaste, junto con un interior resistente para resistir el impacto que se produce durante la operación. Además, el endurecimiento de la superficie del acero tiene una ventaja sobre el endurecimiento mediante el endurecimiento (es decir, el endurecimiento del metal uniformemente en toda la pieza) porque los aceros de bajo y medio carbono menos costosos pueden endurecerse en la superficie sin los problemas de distorsión y agrietamiento asociados con el mediante el endurecimiento de secciones gruesas. Una capa superficial exterior rica en carbono o nitrógeno (o caja) se introduce por difusión atómica desde la fase gaseosa. La caja tiene normalmente del orden de 1 mm de profundidad y es más dura que el núcleo interno de material.

Materiales típicos resistentes al desgaste

En general, el desgaste es un daño superficial inducido mecánicamente que da como resultado la eliminación progresiva de material debido al movimiento relativo entre esa superficie y una sustancia o sustancias en contacto. Por lo tanto, existe un material resistente al desgaste perfecto y, en todos los casos, depende en gran medida de muchas variables (por ejemplo, combinación de materiales, presión de contacto, ambiente, temperatura). La dureza del material se correlaciona con la resistencia al desgaste del material. Si la dureza del material es menor que la dureza del material abrasivo, entonces la tasa de desgaste es alta. La dureza del material juega un papel importante en la resistencia al desgaste. Algunos materiales presentan características especiales de desgaste:

• Ni ₃ Al – Aleación . El aluminuro de níquel es una aleación intermetálica de níquel y aluminio con propiedades similares tanto a una cerámica como a un metal. El aluminuro de níquel es único porque tiene una conductividad térmica muy alta combinada con una alta resistencia a altas temperaturas. Estas propiedades, combinadas con su alta resistencia y baja densidad, lo hacen ideal para aplicaciones especiales como recubrimiento de palas en turbinas de gas y motores a reacción. Los materiales compuestos con aleaciones a base de Ni ₃ Al como una matriz endurecida por, por ejemplo, TiC, ZrO2, WC, SiC y grafeno, son materiales avanzados. En 2005, se informó que el material más resistente a la abrasión se creó incrustando diamantes en una matriz de aluminuro de níquel.
• Carburo de tungsteno . El desgaste por impacto es de suma importancia en la minería y el procesamiento de minerales. La minería y el procesamiento de minerales exigen máquinas y componentes resistentes al desgaste, porque las energías y masas de los cuerpos que interactúan son importantes. Para ello se deben utilizar materiales con la mayor resistencia al desgaste. Por ejemplo, el carburo de tungsteno se utiliza ampliamente en la minería en brocas para roca con martillo en cabeza, martillos de fondo de pozo, cortadores de rodillos, cinceles de arado de pared larga, picos de cizalla de pared larga, escariadores de elevación y tuneladoras.
• Carburo de silicio . El carburo de silicio es un compuesto cristalino de silicio y carbono extremadamente duro y producido sintéticamente. Su fórmula química es SiC. El carburo de silicio tiene una dureza Mohs de 9, que se aproxima a la del diamante. Además de la dureza, los cristales de carburo de silicio tienen características de fractura que los hacen extremadamente útiles en muelas abrasivas. Su alta conductividad térmica, junto con su resistencia a altas temperaturas, baja expansión térmica y resistencia a la reacción química, hace que el carburo de silicio sea valioso en la fabricación de aplicaciones de alta temperatura y otros refractarios.
• Aleaciones revestidas . La cementación por tratamiento de superficie se puede clasificar además como tratamientos de difusión o tratamientos de calentamiento localizado. Los métodos de difusión introducen elementos de aleación que ingresan a la superficie por difusión, ya sea como agentes de solución sólida o como agentes de endurecimiento que ayudan a la formación de martensita durante el enfriamiento posterior. En este proceso, la concentración de elemento de aleación aumenta en la superficie de un componente de acero. Los métodos de difusión incluyen:
• La carburación es un proceso de endurecimiento de la caja en el que la concentración de carbono en la superficie de una aleación ferrosa (generalmente un acero con bajo contenido de carbono) aumenta por difusión del entorno circundante. La carburación produce una superficie de producto dura y altamente resistente al desgaste (profundidad de caja media) con una excelente capacidad de carga de contacto, buena resistencia a la fatiga por flexión y buena resistencia al agarrotamiento.
• La nitruración es un proceso de cementación en el que la concentración de nitrógeno en la superficie de un ferroso aumenta por difusión del entorno circundante para crear una superficie cementada. La nitruración produce una superficie de producto dura y altamente resistente al desgaste (profundidades de caja poco profundas) con una buena capacidad de carga de contacto, buena resistencia a la fatiga por flexión y excelente resistencia al agarrotamiento.
• El borrado , también llamado boronizado, es un proceso de difusión termoquímica similar a la nitrocarburación en el que los átomos de boro se difunden en el sustrato para producir capas superficiales duras y resistentes al desgaste. El proceso requiere una alta temperatura de tratamiento (1073-1323 K) y una larga duración (1-12 h), y se puede aplicar a una amplia gama de materiales como aceros, fundición, cermet y aleaciones no ferrosas.
• Endurecimiento de titanio-carbono y nitruro de titanio . El nitruro de titanio (un material cerámico extremadamente duro) o los recubrimientos de carburo de titanio se pueden utilizar en las herramientas fabricadas con este tipo de aceros mediante un proceso de deposición física de vapor para mejorar el rendimiento y la vida útil de la herramienta. TiN tiene una dureza Vickers de 1800-2100 y tiene un color dorado metálico.
• Aceros endurecidos . Para mejorar la resistencia al desgaste de los aceros, generalmente se realiza un endurecimiento por cementación basado en la transformación martensítica. El endurecimiento por transformación martensítica es uno de los métodos de endurecimiento más comunes, que se utiliza principalmente para aceros (es decir, aceros al carbono y aceros inoxidables).
• Endurecimiento por llama . El endurecimiento por llama es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza una sola antorcha con un cabezal especialmente diseñado para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente, generalmente con agua. Esto crea una «caja» de martensita en la superficie, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente. Es una técnica similar al endurecimiento por inducción. Se necesita un contenido de carbono de 0.3 a 0.6% en peso de C para este tipo de endurecimiento.
• Endurecimiento por inducción . El endurecimiento por inducción es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza bobinas de inducción para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente, generalmente con agua. Esto crea una «caja» de martensita en la superficie. Se necesita un contenido de carbono de 0.3 a 0.6% en peso de C para este tipo de endurecimiento.
• Endurecimiento por láser . El endurecimiento por láser es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza un rayo láser para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente (generalmente por autoenfriamiento). Esto crea una «caja» de martensita en la superficie, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente.

Algunos materiales comunes:

• 

  Hierro fundido dúctil . El hierro dúctil , también conocido como  hierro nodular o hierro grafito esferoidal, es muy similar en composición al hierro gris, pero durante la solidificación el grafito se nuclea como  partículas esféricas  (nódulos) en el hierro dúctil, en lugar de como escamas. Las aplicaciones típicas de este material incluyen válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, engranajes y otros componentes automotrices y de máquinas debido a su buena maquinabilidad, resistencia a la fatiga y mayor módulo de elasticidad (en comparación con el hierro gris), y en engranajes de servicio pesado debido a su alto límite elástico y resistencia al desgaste.

• Bronce de aluminio . Los bronces de aluminio son una familia de aleaciones a base de cobre que ofrecen una combinación de propiedades mecánicas y químicas incomparables con cualquier otra serie de aleaciones. Contienen entre un 5 y un 12% de aluminio. El bronce de aluminio ha encontrado un reconocimiento cada vez mayor para una amplia variedad de aplicaciones que requieren resistencia al desgaste mecánico. Su resistencia al desgaste se basa en la transferencia del metal más blando (bronce de aluminio) al metal más duro (acero) y en la formación de una capa delgada de metal más blando sobre el metal más duro.

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