Desgaste por rozamiento de insertos de acero inoxidable

INTRODUCCIÓN

El acero inoxidable es un material de sujeción popular debido a su resistencia inherente a la corrosión y, en general, a una mayor resistencia a la tracción que el acero comercial con bajo contenido de carbono. Sin embargo, durante la instalación, los usuarios pueden encontrar un desgaste por rozamiento que ocasione un desgaste excesivo o, en el peor de los casos, que cause el agarrotamiento de los componentes acoplados (figura 1). Al identificar las causas probables, los diseñadores y ensambladores se pueden proteger contra este fenómeno particular y, en ocasiones, incomprendido. Si bien el desgaste por rozamiento puede ocurrir entre una gran variedad de superficies acopladas, este boletín se enfoca en las causas asociadas con los insertos roscados y en su prevención.

EXPLICACIÓN

El desgaste por rozamiento ocurre más comúnmente entre insertos acoplados de materiales que autogeneran una capa superficial de óxido resistente a la corrosión, como el acero inoxidable, el titanio, el aluminio y algunas otras aleaciones. Durante el ensamblaje, el contacto entre las protuberancias de las roscas desgasta las capas protectoras de óxido y expone los materiales de base. Cuando la fuerza cohesiva entre los materiales excede la resistencia de cualquiera de los metales, ocurre la soldadura de fase sólida (desgaste por rozamiento). A presiones o cargas bajas, la soldadura es débil y pequeñas cantidades de metal se transfieren al lado más fuerte o flotan de forma independiente en la junta, lo que crea un desgaste excesivo e impurezas. A medida que aumenta la tensión, las protuberancias se deforman, se agranda el área de contacto de la superficie y se forman uniones más fuertes. La acción acumulativa de obstrucción y cizallamiento da como resultado una mayor adhesión y el agarrotamiento ocasional de los componentes acoplados. De todos los materiales propensos al desgaste por rozamiento, los usuarios experimentan la mayoría de los problemas con el acero inoxidable debido a su modesta capacidad para disipar el calor y su mayor coeficiente de fricción.

CAUSAS Y PREVENCIÓN

Los factores clave que contribuyen al desgaste por rozamiento incluyen la fricción y el calor producidos durante el ensamblaje, el uso de materiales similares y la limpieza y suavidad de las roscas. Comprender las causas que contribuyen a estos factores es esencial para reducir o eliminar los efectos del desgaste por rozamiento e incorporar las contramedidas adecuadas.

Fricción/calor

La desalineación axial entre los insertos acoplados o las cargas extrañas entre los componentes sujetados introducidos durante el ensamblaje, ya sea por error o por diseño, pueden aumentar la fricción y provocar desgaste por rozamiento. Los ejemplos incluyen orificios de componentes sujetados no alineados, ángulo de instalación de insertos de rosca externa más allá de la perpendicular a la superficie de acoplamiento como resultado de un error del operador y uso de la acción de roscado entre insertos para juntar componentes resistentes o comprimir resortes. El diseño óptimo permite que el sujetador se enrosque libremente hasta la superficie de acoplamiento, y luego pase de estar ajustado a completamente cargado dentro de una rotación de 90 grados. Cuanto menor sea la cantidad de contacto de flanco con flanco de la rosca bajo carga, mayor será la probabilidad de que el sujetador no tenga rozamiento.

Si un sujetador requiere un elemento de seguridad para resistir el aflojamiento debido a la vibración, se puede agregar un material de nylon a las roscas para crear resistencia por fricción a la rotación entre los insertos acoplados. Sin embargo, estos elementos se aplican comúnmente a un lado del sujetador, y crean una presión excéntrica y un alto riesgo de desgaste por rozamiento. Los elementos de seguridad que se aplican en 360 grados alrededor de la rosca generan una presión uniforme y la posibilidad de desgaste por rozamiento es reducida. Es muy posible que las tuercas de acero inoxidable con características de seguridad deformadas mecánicamente se desgasten con insertos de rosca externa de acero inoxidable.

Para satisfacer la demanda de tiempos de ensamblaje reducidos, los ajustes de r. p. m. altas se usan comúnmente para instalar insertos roscados. A medida que aumentan las r. p. m. de la instalación, también lo hacen el calor durante el roscado y la posibilidad de un ajuste excesivo, que son causas principales del desgaste por rozamiento. Al reducir las r. p. m. de la instalación y controlar de cerca el torque de asiento, se puede reducir la probabilidad de desgaste por rozamiento.

Materiales similares

Muchas aplicaciones obligan al diseñador a utilizar series similares de aceros inoxidables. En general, los aceros inoxidables serie 300 se especifican por su resistencia a la corrosión. Aunque no tienen el mismo nivel de protección contra la corrosión, los insertos fabricados con aceros inoxidables serie 400 tienen menos tendencia al desgaste con los insertos de la serie 300 porque las aleaciones se endurecen a diferentes velocidades. Además, la serie 400 admite tratamiento térmico para ofrecer una resistencia adicional al desgaste por rozamiento, mientras que la serie 300 no puede hacerlo. El uso de grados diferentes dentro de la misma serie (por ejemplo, 304 y 316) para evitar desgastes por rozamiento genera debates entre algunas fuentes notables dentro de las industrias de insertos y acero inoxidable, y es posible que no tenga el efecto deseado. Se han desarrollado materias primas avanzadas para reducir el desgaste por rozamiento y mantener la resistencia a la corrosión. Gall-Tough® y Nitronic 60® son dos ejemplos de aceros inoxidables patentados que reducen el desgaste por rozamiento. En general, la indicación de grados de acero inoxidable y la especificación de materiales patentados puede agregar complejidad y costo a un diseño, y solo debe considerarse cuando fallan todas las demás medidas preventivas.

Limpieza y suavidad de las roscas

Las roscas de sujeción que parezcan suaves a simple vista manifestarán asperezas, uniones, traslapes de material y rebabas si se observan ampliadas (figura 2). Con insertos de acero al carbono, estas irregularidades superficiales no causan ningún problema; en cambio, con materiales propensos al desgaste por rozamiento, forman las protuberancias que pueden desencadenar el ciclo de desgaste por rozamiento. La mayoría de las fuentes afirman que las roscas cortadas se desgastan más fácilmente que las roscas formadas en frío porque las líneas de fibra del material de base se cortan y se presentan planos de debilidad y marcas de las herramientas de corte. Por el contrario, las roscas formadas en frío moldean las líneas de flujo de grano del material para adaptarse al perfil de la rosca y pulen las raíces y los flancos. Sin embargo, al menos una fuente acreditada de materia prima de acero inoxidable cuestiona el beneficio de los aceros inoxidables de la serie 300 de formación en frío. Irónicamente, la mayoría de los usuarios que experimentan fallas culpan al sujetador de rosca externo porque suele ser el primer componente que muestra daños. Sin embargo, la mayoría de los insertos de roscas internas tienen roscas cortadas, mientras que la mayoría de los insertos de roscas externas se forman en frío. Los insertos con rosca externa se deben manejar con cuidado. Un embalaje deficiente y el lanzamiento de insertos pesados en un contenedor de almacenamiento pueden mellar y abollar las roscas, lo cual crea también un estímulo para el desgaste por rozamiento.

Es mucho menos probable que las roscas limpias se desgasten. El polvo y las impurezas en las roscas pueden aumentar la fricción y la presión de contacto de la superficie de la rosca. Si bien una pequeña cantidad de aceite que queda de la fabricación puede ayudar a lubricar las roscas y evitar el desgaste por rozamiento, esto generalmente no es aceptable para los ensambles electrónicos, en los que la limpieza es primordial. Las piezas se deben inspeccionar, manipular y almacenar para evitar la contaminación antes del uso.

Contramedidas

A pesar de que se pueden tomar precauciones para mitigar las condiciones antes mencionadas, aún puede ocurrir desgaste por rozamiento. La lubricación puede ser una de las mejores formas de reducir la fricción entre los flancos de rosca y eliminar el desgaste por rozamiento. Uno de los lubricantes más comunes y menos costosos en la industria de los insertos es una cera comercial. Aplicada por el proveedor, en la mayoría de los casos es imperceptible para el usuario y puede ser sumamente efectiva cuando se usa junto con otras medidas contra el desgaste por rozamiento. En situaciones más extremas, un revestimiento de bisulfuro de molibdeno o Teflon® horneado aplicado en las roscas por el proveedor reduce considerablemente la fricción.

Al disminuir la fricción entre los flancos de la rosca, se reduce el torque necesario para cargar de forma correcta
el sujetador. Por lo tanto, las especificaciones de instalación del torque se deben revisar según cada
aplicación.

CONCLUSIÓN

El desgaste por rozamiento ocurre con frecuencia entre los insertos acoplados de acero inoxidable como resultado de la fricción excesiva y el calor generado durante el ensamblaje, el uso de materiales similares y la aspereza y limpieza de las roscas, lo que provoca un desgaste prematuro y un posible agarrotamiento de los componentes. Según la experiencia de PENCOM, la mayoría de los casos de desgaste por rozamiento son el resultado de un diseño de unión defectuoso y una instalación con altas r. p. m., y dos soluciones posibles son la aplicación de una cera comercial en las roscas del sujetador y la revisión de los procedimientos de ensamblaje. En la figura 3, se enumeran las causas del desgaste por rozamiento y los pasos de prevención asociados.

Con una previsión cuidadosa, las ventajas de los insertos de acero inoxidable se pueden apreciar plenamente sin experimentar los efectos perjudiciales del desgaste por rozamiento. Para consultar acerca de los revestimientos resistentes al desgaste en sus insertos o para analizar inquietudes sobre la aplicación, comuníquese con un representante de cuentas de PENCOM.