Una imprimación sobre metal de revestimiento duro

Los soldadores que ayudan a mantener los equipos utilizados en la construcción y la minería probablemente estén familiarizados con el revestimiento duro porque el proceso ayuda a prolongar la vida útil de los componentes que se usan en condiciones difíciles. imágenes falsas

El revestimiento duro es una forma rentable de minimizar el desgaste y aumentar la vida útil de las piezas y los equipos industriales. A primera vista, el revestimiento duro puede ser confuso y problemático, pero en realidad no lo es una vez que conoce los hechos.

Las siguientes respuestas a 22 preguntas frecuentes pueden ayudarlo a comprender los conceptos básicos de la tecnología para que pueda seleccionar los productos de revestimiento duro más apropiados para su aplicación.

Las piezas de metal a menudo fallan en su uso previsto no porque se rompan, sino porque se desgastan por abrasión, impacto o contacto de metal con metal, lo que hace que pierdan dimensión y funcionalidad. El revestimiento duro, también conocido como revestimiento duro, es la aplicación de una acumulación o metal de soldadura resistente al desgaste sobre la superficie de una pieza mediante soldadura para prolongar la vida útil de la pieza. El metal de soldadura se puede aplicar como una superficie sólida o en un patrón, como un patrón de gofres, espigas o puntos.

El revestimiento duro se está volviendo cada vez más importante para muchas industrias para proteger los equipos que están expuestos al desgaste y la abrasión. Extender la vida útil de las piezas de desgaste puede ahorrarle miles de dólares y mejorar la productividad. El revestimiento duro se puede usar para reacondicionar piezas que ya han estado expuestas al desgaste y han perdido su vida útil, o se puede usar en la fabricación de piezas nuevas para mejorar su vida antes de que se pongan en servicio. Los tres tipos principales de aplicaciones de revestimiento duro son:

Construir o reconstruir.

Revestimiento duro o superposición.

Combinación de acumulación y superposición.

Los aceros al carbono y de baja aleación con contenidos de carbono de menos del 1 por ciento se pueden revestir. Los aceros de medio carbono y baja aleación son muy comunes, ya que proporcionan una mayor resistencia que los aceros dulces y una mejor resistencia a la abrasión. Las aleaciones con alto contenido de carbono pueden requerir una capa amortiguadora especial. Los siguientes metales base pueden ser de superficie dura: acero inoxidable, acero al manganeso, aceros al carbono y aleados, hierro fundido, aleaciones con base de níquel y aleaciones con base de cobre.

Los aceros al carbono y de baja aleación son fuertemente magnéticos y pueden distinguirse fácilmente del acero austenítico al manganeso, que no es magnético. Muchos aceros de baja aleación y alto contenido de carbono se utilizan para la fabricación de equipos y repuestos, especialmente equipos que requieren mayor resistencia y resistencia a la abrasión. No son fáciles de diferenciar, pero deben identificarse para determinar la temperatura adecuada de precalentamiento y postcalentamiento.

A medida que aumenta el contenido de aleación, la necesidad de precalentamiento y poscalentamiento se vuelve más crítica. Por ejemplo, el acero fabricado con 4130 generalmente requiere un precalentamiento de 400 grados F. El acero que se usa para los rieles suele ser más alto en carbono y requiere un precalentamiento mínimo de 600 a 700 grados F. El acero al manganeso no requiere precalentamiento. De hecho, se deben tomar medidas para mantener el calor del metal base por debajo de los 500 grados F.

Figura 1Muchos factores afectan la economía del revestimiento duro, pero un factor importante es la tasa de deposición, estimada aquí para cada proceso.

En orden de popularidad, se utilizan los siguientes procesos de soldadura para aplicar el revestimiento duro:

Soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW) con alambre de recargue duro con protección de gas o de arco abierto

Soldadura por arco metálico con gas (GMAW) con alambre protegido con gas

Soldadura por arco de metal blindado (SMAW)

Soldadura por arco sumergido (SAW)

Soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW)

Soldadura con oxicombustible (OFW) o soldadura con oxiacetileno

Soldadura por arco transferido por plasma, soldadura por láser, rociado térmico y rociado y fusible

La tendencia actual es hacia el uso de procesos de soldadura automáticos y semiautomáticos que utilizan FCAW y GMAW, que tienen aproximadamente la misma popularidad. GMAW que usa un alambre sólido o alambre de soldadura con núcleo de metal requiere un escudo de gas, mientras que FCAW emplea alambres de soldadura que se usan con arco abierto o sin gas, así como con un escudo de gas. SMAW con electrodos recubiertos de fundente sigue siendo muy popular, especialmente para aplicaciones de revestimiento duro en el sitio, porque el equipo es económico y portátil.

Tenga en cuenta los siguientes factores al seleccionar un proceso de soldadura:

Disponibilidad del equipo de soldadura, incluido el tamaño de la fuente de energía

Uso de electrodo revestido o alambre semiautomático

Disponibilidad de consumibles de recargue

Tamaño del consumible de soldadura

Uso de alambre protegido con gas, alambre de arco abierto o alambre de arco sumergido

Habilidad de operador disponible

Lugar de soldadura: interior o exterior

Tamaño y forma del componente, y el área a recubrir

Espesor del depósito

Tasa de deposición

Posición de soldadura

Requisitos de mecanizado

Acabado deseado

Preparación de componentes para piezas previamente revestidas

• Tratamientos de precalentamiento y possoldadura (revenido/enfriamiento lento/enfriamiento por aire)

Los siguientes son los tres tipos más comunes de desgaste:

El desgaste abrasivo, que representa del 40 al 50 por ciento de todos los casos de desgaste, ocurre cuando materiales como granos, tierra o arena, carbón o minerales se deslizan sobre una superficie metálica. El desgaste abrasivo se puede dividir en abrasión por ranurado, abrasión por rectificado de alta tensión y abrasión por rayado de baja tensión.

El desgaste por impacto (20 por ciento) ocurre cuando un objeto es golpeado por otro objeto, como una pieza de trituradora o una rueda de vagón que rueda sobre un cruce de manganeso, lo que provoca que el material se desprenda o se astille.

El desgaste adhesivo (metal con metal) (15 por ciento) ocurre cuando dos superficies metálicas se deslizan entre sí bajo presión, creando una condición de microsoldadura a partir del calor por fricción. Generalmente ocurre en condiciones no lubricadas o secas.

El calor y la corrosión son otros dos tipos de desgaste, cada uno de los cuales representa alrededor del 5 por ciento de todos los casos.

La mayoría de las piezas desgastadas no fallan por un solo tipo de desgaste, como un impacto, sino por una combinación, como abrasión e impacto. Por ejemplo, el diente de un cucharón de minería suele estar sujeto tanto a la abrasión como al impacto, aunque un tipo puede ser más dominante que el otro. El tipo de desgaste dicta qué producto de soldadura de superficie dura se utiliza. Determinar el modo de desgaste y comprender el entorno al que está expuesta la pieza son cruciales para elegir la aleación de recargue más adecuada para la aplicación.

Las aleaciones a base de hierro se pueden dividir en cuatro categorías principales:

martensítico. Este grupo incluye todos los aceros templables con dureza Rockwell de 20 a 65 HRC. Estas aleaciones, similares al acero para herramientas, se endurecen al enfriarse. Son buenos para el desgaste abrasivo y de metal con metal. También pueden soportar una gran cantidad de impacto. Las aleaciones con HRC inferior a 45 generalmente se utilizan para la reconstrucción antes del endurecimiento o para restaurar la dimensión, y la pieza debe mecanizarse después de la soldadura. Las aleaciones martensíticas de mayor dureza, superiores a 50 HRC, se utilizan para la resistencia a la abrasión.

austenítico. Las aleaciones austeníticas incluyen aceros al manganeso de endurecimiento por trabajo e inoxidables. Estas aleaciones generalmente son suaves cuando se sueldan y se endurecen solo después de que el metal de soldadura se trabaja bajo impactos repetidos. Tienen buenas propiedades de impacto y moderada resistencia a la abrasión. El acero austenítico al manganeso generalmente se encuentra alrededor de trituradoras, cruces y cruces de vías férreas y dientes de palas.

Metal duro y matriz austenítica blanda. Estas aleaciones contienen grandes cantidades de carburos metálicos en una matriz más blanda y son buenas para aplicaciones de abrasión severa. Las aleaciones que contienen grandes cantidades de cromo y carbono, la familia de los carburos de cromo, se acercan más a una fundición o hierro blanco. A veces contienen cantidades adicionales de niobio y vanadio. Sus durezas son de 40 a 65 HRC. Las aleaciones que contienen grandes cantidades de tungsteno y carbono, la familia del carburo de tungsteno, a veces contienen pequeñas cantidades de boro que forman boruros y son buenas para aplicaciones de abrasión severa.

Carburo metálico en matriz martensítica dura. La matriz martensítica es esencialmente un acero para herramientas con una dureza de 45 a 60 HRC. Estas aleaciones contienen adiciones de niobio, vanadio, molibdeno o titanio. Con los procedimientos adecuados, por lo general se pueden aplicar sin grietas por tensión.

Muchas aleaciones de carburo de cromo se agrietan cuando se enfrían a temperaturas moderadas, y esto es normal. Otros, como las familias austeníticas y martensíticas, no se agrietan cuando se aplican con los procedimientos de soldadura adecuados.

Cuando ocurre el agrietamiento o el agrietamiento, las grietas se forman perpendiculares a la longitud del cordón. Generalmente ocurren con una separación de 3/8 a 2 pulgadas y son el resultado de altos esfuerzos inducidos por la contracción del metal de soldadura a medida que se enfría. Las grietas se propagan a través del espesor del cordón de soldadura y se detienen en el metal base, siempre que no sea quebradizo. Si el metal principal es duro o quebradizo, seleccione una capa amortiguadora de un metal de soldadura más blando y resistente, como una aleación austenítica.

Generalmente, los carburos de cromo son aleaciones a base de hierro que contienen altas cantidades de cromo (más del 15 por ciento) y carbono (más del 3 por ciento). Estos elementos forman carburos duros que resisten la abrasión. Los depósitos frecuentemente verifican grietas aproximadamente cada ½ pulgada, lo que ayuda a aliviar el estrés de la soldadura. Su bajo coeficiente de fricción también los hace deseables en aplicaciones que requieren material con buen deslizamiento.

En términos generales, la resistencia a la abrasión aumenta a medida que aumenta la cantidad de carbono y cromo, aunque el carbono tiene la mayor influencia. Los valores de dureza son de 40 a 65 HRC. También pueden contener otros elementos que pueden formar otros carburos o boruros que ayudan a aumentar la resistencia al desgaste en aplicaciones de alta temperatura. Estas aleaciones están limitadas a dos o tres capas.

Los carburos complejos generalmente están asociados con depósitos de carburo de cromo que tienen adiciones de columbio (niobio), molibdeno, tungsteno o vanadio. Estos elementos y el carbono forman sus propios carburos o se combinan con los carburos de cromo presentes para aumentar la resistencia general a la abrasión de la aleación. Pueden tener todos estos elementos o solo uno o dos. Se utilizan para aplicaciones de alta abrasión y alta temperatura.

Estas aleaciones de acero para herramientas tienen numerosos carburos de titanio, niobio o vanadio muy compactos. Los carburos en martensita son una excelente opción para aplicaciones que requieren depósitos sin grietas con buenas características de desgaste. Los depósitos de soldadura generalmente exhiben las mismas características de resistencia al desgaste que se esperan de los productos de revestimiento duro de carburo de cromo. Dado que estas aleaciones no se agrietan, tienden a ser más fáciles de volver a aplicar.

Con este proceso, también conocido como incrustación de carburo de tungsteno, las partículas de carburo de tungsteno se alimentan desde una tolva directamente al charco de soldadura fundida de PS98. Cuando el cordón de soldadura se enfría, el depósito de soldadura resultante contiene grandes volúmenes de partículas de carburo de tungsteno incrustadas en una matriz de acero para herramientas de 55 a 60 HRC. Estas partículas extremadamente duras y resistentes al desgaste protegen las hojas de excavadoras y motoniveladoras, los cucharones de dragalinas y cargadoras, y muchos tipos diferentes de martillos contra el desgaste prematuro en muchas aplicaciones desafiantes y altamente abrasivas.

Para trabajar en tierra rocosa, mineral o escoria, el objetivo es proteger la superficie metálica de la abrasión causada por el movimiento de las rocas sobre ella. Esto se puede hacer aplicando una serie de crestas o cordones de soldadura paralelos al flujo de material, como rieles, que evitan que el suelo rocoso entre en contacto con la superficie.

Cuando trabaje en tierra o arena, aplique cordones de soldadura de superficie dura con una separación de ¼ a 11/2 pulg. y perpendiculares o contra el flujo de un material abrasivo. Forzar la compactación del material entre los cordones de soldadura funciona bien para arenas y suelos de grano fino. Aplique un patrón de puntos en las áreas que no sufran una fuerte abrasión pero que estén sujetas a desgaste, o donde las áreas soldadas sean difíciles de alcanzar.

Un patrón de puntos también se usa en metales base delgados cuando la distorsión y la deformación pueden ser un problema debido al sobrecalentamiento del metal base. Para trabajar en suelos con cierto contenido de arcilla, el objetivo es usar un patrón de revestimiento duro que atrape el suelo en la superficie, formando una capa de suelo atrapado que protegerá la superficie debajo. Esto se hace mejor con un patrón de cuadrícula o waffle. Este patrón también funciona bien cuando hay una combinación de suelo fino y grueso.

No. Una aleación martensítica y una aleación de carburo de cromo pueden tener la misma dureza, digamos 58 HRC, y funcionar de manera muy diferente bajo las mismas condiciones abrasivas. Una aleación de carburo de cromo proporcionará una mejor resistencia a la abrasión que una aleación martensítica. La microestructura metalúrgica es una mejor vara de medir, pero no siempre está disponible.

La única vez que se puede usar la dureza para predecir el desgaste es cuando las aleaciones que se evalúan pertenecen a la misma familia. Por ejemplo, en la familia martensítica, una aleación 55-HRC tendrá mejor resistencia a la abrasión que una aleación 35-HRC. Este puede ser o no el caso en las familias de carburos austeníticos o metálicos. Nuevamente, debe considerar la microestructura.

Depende del tipo de desgaste involucrado, pero en el caso del desgaste abrasivo, con mucho el mecanismo de desgaste más predominante, la norma ASTM Intl. La prueba de rueda de caucho de arena seca G65 se usa ampliamente. La muestra se pesa antes y después de la prueba, y el resultado suele expresarse en gramos de pérdida de peso o pérdida de volumen. Una muestra se sostiene contra una rueda de goma giratoria con una fuerza conocida durante un número determinado de revoluciones. Un tipo específico de arena, que se mide cuidadosamente, se escurre entre la muestra y la rueda de goma. Esto simula la abrasión pura y los números se utilizan como guía en la selección de materiales.

La baja penetración y la dilución son los principales objetivos del revestimiento duro, por lo que el argón puro y las mezclas de argón con oxígeno o dióxido de carbono generalmente producirán el resultado deseado. También puede usar CO2 puro, pero puede obtener más salpicaduras que con una mezcla de argón.

Los alambres de soldadura producen una transferencia de rociado o una transferencia globular (bola) de metal fundido a través del arco de soldadura.

La transferencia por aspersión es una dispersión de finas gotas de metal fundido, que se caracteriza por una transferencia con un sonido suave. Estos alambres son deseables en aplicaciones de unión que requieren una buena penetración.

Los alambres de transferencia de bolas dispersan gotas o bolas de metal fundido más grandes. Este tipo de transferencia promueve una baja penetración y dilución, adecuado para revestimientos duros. Tiene un arco más ruidoso que produce un crujido audible y generalmente tiene un nivel de salpicadura más alto que los alambres de transferencia por aspersión. Los parámetros de soldadura, como la sobretensión eléctrica, el gas, el amperaje y el voltaje, pueden afectar el tamaño de la bola y su transferencia. Todos los alambres sin gas o de arco abierto tienen una transferencia globular o de bola.

El agrietamiento de la zona afectada por el calor es siempre una preocupación cuando se sueldan aceros de baja aleación y alto contenido de carbono, piezas sometidas a grandes esfuerzos y piezas con formas complejas. En general, todas las piezas deben soldarse al menos a temperatura ambiente; es posible que necesite temperaturas más altas de precalentamiento y entre pases según la química del metal base y el producto de revestimiento duro que esté utilizando.

Los aceros con alto contenido de carbono requieren precalentamiento. Por ejemplo, el acero fabricado con 4130 generalmente requiere un precalentamiento de 400 grados F. El acero para rieles suele tener un alto contenido de carbono y requiere un precalentamiento mínimo de 600 a 700 grados F.

El acero al manganeso y algunos aceros inoxidables no requieren precalentamiento, y las temperaturas de soldadura deben mantenerse lo más bajas posible. De hecho, debe tratar de mantener el metal base de manganeso por debajo de los 500 grados F. Consulte al fabricante sobre la mejor combinación para evitar grietas y desprendimientos.

El carburo de cromo y los carburos complejos generalmente están limitados en el número de capas que se pueden aplicar. La naturaleza quebradiza de los carburos metálicos conduce al agrietamiento y, a medida que se aplican múltiples capas, la tensión continúa acumulándose, concentrándose en la raíz de las grietas de control, hasta que se produce la separación o el desprendimiento entre el metal base o el amortiguador y el depósito de revestimiento duro.

A menos que el fabricante especifique lo contrario, y con los procedimientos correctos, las aleaciones de revestimiento duro martensíticas se pueden aplicar en múltiples capas. Los productos de revestimiento duro de manganeso austenítico se pueden aplicar en capas ilimitadas a menos que el fabricante especifique lo contrario. Si se requieren más capas, utilice una aleación de refuerzo o de amortiguación.

21. ¿Qué son las aleaciones de relleno y amortiguadoras?

Las aleaciones de acumulación y amortiguación son similares a la aleación de metal principal en cuanto a dureza y resistencia. Se aplican a piezas muy desgastadas para devolverlas a su dimensión cuando se debe utilizar el mecanizado después de la soldadura. Con una dureza de 30 a 45 HRC, se aplican como amortiguador para capas posteriores de un depósito de revestimiento más resistente al desgaste. Si la aleación de revestimiento duro produce grietas de verificación, utilice un producto resistente de manganeso como amortiguador para embotar y evitar que las grietas de verificación penetren en el metal base.

Nunca se debe usar un electrodo o alambre de acero dulce para la acumulación o como capa amortiguadora. Si bien los productos de soldadura de acero dulce son excelentes para unir y fabricar, no tienen la resistencia ni la dureza para soportar el revestimiento duro. Una capa amortiguadora de acero suave se derrumbará debajo de la capa de superficie dura, lo que provocará que la capa de superficie dura se desprenda y falle.

22. ¿Se puede revestir el hierro fundido?

Sí, pero asegúrese de considerar las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas. Los productos de níquel y níquel-hierro suelen ser adecuados para la reconstrucción de hierro fundido. No se ven afectados por el contenido de carbono del metal principal y siguen siendo dúctiles. Múltiples capas son posibles. Si se requiere más protección contra el desgaste, los productos de carburo de metal pueden funcionar bien sobre la acumulación de níquel o níquel-hierro.

Estas preguntas frecuentes solo comienzan a abordar el revestimiento duro. Los fabricantes y especialistas en productos de revestimiento duro pueden contribuir a una comprensión más profunda del revestimiento duro y ayudarlo a seleccionar productos y procesos para su aplicación.

Bob Miller fue ingeniero de materiales y aplicaciones en Postle Industries Inc., 5500 W. 164th St., Cleveland, OH 44142, 216-265-9000, postle.com.