Abrasión en acero: mecanismos, resistencia y aplicaciones industriales

Definición y concepto básico

La abrasión es el desgaste mecánico, la abrasión o la erosión del material mediante la fricción entre superficies. Representa una pérdida progresiva de material de una superficie sólida debido a la acción mecánica, que generalmente implica el deslizamiento o la rodadura de partículas duras o protuberancias sobre la superficie bajo presión.

En la ciencia e ingeniería de materiales, la resistencia a la abrasión es una propiedad crucial que determina la durabilidad y la vida útil de un material en aplicaciones con desgaste mecánico. Esta propiedad influye directamente en los requisitos de mantenimiento, la vida útil de los componentes y la fiabilidad general del sistema en numerosas aplicaciones industriales.

En metalurgia, la resistencia a la abrasión representa una faceta del comportamiento tribológico más amplio de los metales, junto con la adhesión, la erosión y la fatiga superficial. La capacidad del acero para soportar fuerzas abrasivas depende de su microestructura, dureza, tenacidad y características de endurecimiento por acritud, lo que lo convierte en una propiedad compleja que conecta las propiedades mecánicas con las disciplinas de ingeniería de superficies.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, la abrasión se produce cuando asperezas (irregularidades microscópicas de la superficie) o partículas duras penetran la superficie de un material más blando, creando ranuras y desplazando el material. El material desplazado puede formar crestas a lo largo de los bordes de las ranuras, desprendiéndose finalmente como residuos de desgaste mediante mecanismos de microcorte, microfractura o microarado.

En los aceros, la resistencia a la abrasión se rige por la interacción entre las partículas abrasivas y las características microestructurales del material. Las fases duras, como los carburos, pueden resistir la penetración, mientras que la fase matriz determina la respuesta del material a la deformación. La magnitud de la interacción entre las partículas abrasivas y las características microestructurales influye significativamente en el mecanismo de desgaste y la tasa de eliminación de material.

Modelos teóricos

La ecuación de desgaste de Archard representa el principal modelo teórico para describir el desgaste abrasivo. Desarrollada en la década de 1950 por J.F. Archard, este modelo relaciona la pérdida de volumen del material con la carga aplicada, la distancia de deslizamiento y la dureza del material.

La comprensión histórica de la abrasión evolucionó desde las primeras observaciones empíricas de ingenieros como Charles Hatchett a principios del siglo XIX hasta los estudios sistemáticos de investigadores como Tabor y Bowden a mediados del siglo XX. Su trabajo estableció la relación fundamental entre la dureza y la resistencia al desgaste.

Los enfoques modernos incluyen el modelo de Rabinowicz para el desgaste abrasivo, que considera la geometría de las partículas y los efectos de incrustación, y el modelo de Zum Gahr, que incorpora factores microestructurales más allá de la dureza. Estos modelos ofrecen perspectivas complementarias para diferentes escenarios de desgaste y sistemas de materiales.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

La estructura cristalina influye en la resistencia a la abrasión mediante la disponibilidad de sistemas de deslizamiento y la tensión cortante crítica resuelta. Las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) en ferrita ofrecen características de desgaste diferentes a las estructuras cúbicas centradas en las caras (FCC) en austenita; las BCC suelen proporcionar mayor dureza, pero menor tenacidad.

Los límites de grano actúan como obstáculos para el movimiento de dislocación y la propagación de grietas, lo que hace que los aceros de grano fino sean generalmente más resistentes al desgaste que las variantes de grano grueso. Sin embargo, esta relación se vuelve compleja al considerar el endurecimiento por acritud y las transformaciones de fase durante el proceso de abrasión.

Los principios de endurecimiento por deformación, estabilidad de fase y refinamiento microestructural están estrechamente vinculados con la resistencia a la abrasión. Enfoques de la ciencia de materiales como el endurecimiento por precipitación, la transformación martensítica y el desarrollo de la microestructura de compuestos ofrecen vías para mejorar la resistencia del acero al desgaste abrasivo.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La ecuación de desgaste de Archard proporciona la descripción matemática fundamental del desgaste abrasivo:

$$V = k \frac{F_N \cdot s}{H}$$

Dónde:
- $V$ es el volumen de material eliminado (mm³)
- $k$ es el coeficiente de desgaste adimensional
- $F_N$ es la carga normal (N)
- $s$ es la distancia de deslizamiento (m)
- $H$ es la dureza del material más blando (MPa o HV)

Fórmulas de cálculo relacionadas

La tasa de desgaste específica, que normaliza la pérdida de volumen por carga y distancia, se calcula como:

$$w_s = \frac{V}{F_N \cdot s} = \frac{k}{H}$$

Dónde:
- $w_s$ es la tasa de desgaste específica (mm³/N·m)
- Las demás variables son las definidas anteriormente.

El índice de resistencia a la abrasión (ARI) compara el rendimiento de un material con un material de referencia:

$$ARI = \frac{w_{s,referencia}} {w_{s,prueba}} $$

Dónde:
- $w_{s,reference}$ es la tasa de desgaste específica del material de referencia
- $w_{s,test}$ es la tasa de desgaste específica del material de prueba

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos asumen condiciones de desgaste estables y son más precisos para la abrasión de dos cuerpos con carga y velocidad constantes. Su fiabilidad disminuye cuando la temperatura aumenta significativamente durante la prueba o cuando se producen reacciones químicas en la interfaz.

La ecuación de Archard asume proporcionalidad entre el volumen de desgaste y la carga normal, lo cual podría no ser cierto con cargas muy elevadas donde predomina la deformación plástica. Además, estos modelos suelen asumir materiales homogéneos, lo que requiere modificaciones para microestructuras compuestas como las de muchos aceros comerciales.

El coeficiente de desgaste k varía significativamente según las condiciones de lubricación, los factores ambientales y la rugosidad de la superficie, lo que hace necesaria la calibración empírica para realizar predicciones precisas en aplicaciones específicas.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

• ASTM G65: Método de prueba estándar para medir la abrasión utilizando el aparato de rueda de caucho/arena seca (simula la abrasión de tres cuerpos de baja tensión)
• ASTM G81: Método de prueba estándar para la prueba de abrasión por ranurado en trituradoras de mandíbula (evalúa la abrasión por ranurado de alta tensión)
• ASTM G132: Método de prueba estándar para pruebas de abrasión de pasadores (mide el desgaste abrasivo de dos cuerpos)
• ISO 28080: Metales duros - Pruebas de abrasión para metales duros (estandariza las pruebas de abrasión para carburos cementados)

Equipos y principios de prueba

El probador de rueda de arena/caucho en seco fuerza las partículas de arena entre una rueda de caucho giratoria y una muestra de prueba estacionaria, lo que genera abrasión de tres cuerpos. La pérdida de material se determina mediante una medición precisa del peso antes y después de la prueba.

Los tribómetros de pasador sobre disco aplican una fuerza controlada entre un pasador (material de prueba) y un disco abrasivo giratorio, midiendo simultáneamente la fuerza de fricción y el volumen de desgaste. Esta configuración permite un control preciso de la carga, la velocidad y las condiciones ambientales.

El equipo avanzado incluye nanoindentadores para la caracterización de la abrasión a microescala y tribómetros SEM in situ que permiten la observación en tiempo real de los mecanismos de desgaste con gran aumento.

Requisitos de muestra

Las muestras estándar suelen medir 25 × 75 × 12 mm para la prueba ASTM G65, con superficies planas y paralelas mecanizadas con tolerancias específicas. Para las pruebas de pasador sobre disco, se utilizan comúnmente pasadores cilíndricos de 6 a 10 mm de diámetro y 15 a 30 mm de longitud.

La preparación de la superficie requiere un pulido uniforme (normalmente de grano 600), seguido de una limpieza con acetona o alcohol para eliminar los contaminantes. La rugosidad final de la superficie debe medirse y registrarse, ya que influye significativamente en el desgaste inicial.

Las muestras deben estar libres de deformaciones previas, zonas afectadas por el calor o tratamientos superficiales, a menos que se evalúen específicamente. La homogeneidad de la muestra debe verificarse mediante un mapeo de dureza o un examen microestructural.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar generalmente se realizan a temperatura ambiente (23 ± 2 °C) con humedad controlada (50 ± 10 % de HR), aunque pruebas especializadas pueden evaluar el rendimiento a temperaturas elevadas o en entornos corrosivos.

Las velocidades de carga varían según el método de prueba: la norma ASTM G65 aplica una fuerza constante de 130 N, mientras que las pruebas de pasador sobre disco pueden utilizar de 5 a 50 N, dependiendo de la dureza del material. Las velocidades de deslizamiento oscilan entre 0,1 y 2,0 m/s, y la duración de las pruebas se determina por una distancia fija (p. ej., 4309 m para la norma ASTM G65) o por tiempo.

Los parámetros críticos incluyen la distribución del tamaño de las partículas abrasivas, la dureza y la angularidad, que deben controlarse y documentarse para obtener resultados reproducibles.

Proceso de datos

La recopilación de datos primarios implica la medición precisa de la pérdida de masa mediante balanzas analíticas (precisión de ±0,1 mg), que se convierte en pérdida de volumen mediante la densidad del material. Las mediciones dimensionales con micrómetros o perfilometría permiten una evaluación directa de la pérdida de volumen.

El análisis estadístico suele incluir el cálculo de la media y la desviación estándar de al menos tres pruebas replicadas. La detección y eliminación de valores atípicos se realiza siguiendo los procedimientos especificados en las normas pertinentes.

Los valores finales se calculan normalizando la pérdida de volumen mediante parámetros de prueba (carga, distancia) para determinar tasas de desgaste específicas, que luego se comparan con materiales de referencia o se convierten en coeficientes de desgaste utilizando la ecuación de Archard.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos (mm³/Nm)	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (1020)	1,5-2,5×10⁻⁴	Rueda de arena seca/caucho, 130 N	ASTM G65
Acero al carbono medio (1045)	0,8-1,5×10⁻⁴	Rueda de arena seca/caucho, 130 N	ASTM G65
Acero para herramientas (D2)	0,2-0,5×10⁻⁴	Rueda de arena seca/caucho, 130 N	ASTM G65
Acero al manganeso Hadfield	0,3-0,7×10⁻⁴	Rueda de arena seca/caucho, 130 N	ASTM G65

Las variaciones dentro de cada clasificación se deben a diferencias en el tratamiento térmico, el endurecimiento previo y pequeñas diferencias de composición. Un mayor contenido de carbono generalmente mejora la resistencia a la abrasión, pero solo cuando se trata térmicamente adecuadamente para formar estructuras de carburo apropiadas.

Estos valores deben interpretarse como comparativos, no absolutos, ya que el rendimiento en campo puede diferir significativamente de los resultados de laboratorio. La clasificación de los materiales suele ser consistente en todos los métodos de prueba, pero las tasas de desgaste absolutas son específicas de cada aplicación.

Una tendencia notable es que la dureza por sí sola no predice la resistencia a la abrasión en diferentes tipos de acero, particularmente cuando se comparan grados de endurecimiento por trabajo como el acero Hadfield con aceros para herramientas de alta dureza.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen incorporar la resistencia a la abrasión en el diseño especificando requisitos mínimos de dureza y microestructuras adecuadas. Los factores de seguridad de 1,5 a 2,5 son comunes para componentes críticos para la abrasión, y se utilizan valores más altos cuando las condiciones de operación son variables o están mal definidas.

Las decisiones de selección de materiales equilibran la resistencia a la abrasión con la viabilidad de fabricación, el coste y otras propiedades mecánicas. Esto a menudo conlleva concesiones, como el uso de recubrimientos de soldadura o tratamientos superficiales para mejorar la resistencia a la abrasión localmente, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad del material en su conjunto.

Los diseñadores deben considerar si la abrasión se produce en condiciones de alta o baja tensión, ya que esto modifica fundamentalmente la elección óptima del material. La abrasión de alta tensión suele requerir materiales con dureza y tenacidad, mientras que la abrasión de baja tensión puede abordarse con la máxima dureza.

Áreas de aplicación clave

Los equipos de minería representan un sector de aplicación crítico donde la resistencia a la abrasión impacta directamente los costos operativos. Componentes como los dientes de las cucharas, los revestimientos de las trituradoras y las tolvas de las cintas transportadoras sufren un desgaste abrasivo severo debido a los minerales duros, lo que requiere aceros especializados con dureza de 400-600 HB y microestructuras optimizadas.

Los implementos agrícolas presentan diferentes requisitos, buscando un equilibrio entre una resistencia moderada a la abrasión, la resistencia al impacto y la maleabilidad. Las herramientas de labranza, por ejemplo, deben soportar la abrasión del suelo y absorber los impactos de las rocas sin sufrir daños catastróficos.

Los equipos de procesamiento de acero, en particular en plantas de sinterización y altos hornos, requieren resistencia a la abrasión a temperaturas elevadas. En estos casos, los materiales deben mantener su resistencia al desgaste incluso expuestos a temperaturas superiores a 500 °C, lo que a menudo da lugar a grados termorresistentes especializados con estructuras de carburo estables.

Compensaciones en el rendimiento

La resistencia a la abrasión suele entrar en conflicto con la tenacidad, ya que las características microestructurales que mejoran la dureza (martensita, carburos) suelen reducir la resistencia al impacto. Esta contrapartida es especialmente evidente en aplicaciones de trituración y molienda, donde ambas propiedades son esenciales.

La conformabilidad disminuye a medida que aumenta la resistencia a la abrasión, lo que dificulta y encarece la fabricación. Los fabricantes suelen solucionar este problema utilizando estructuras compuestas: materiales base más blandos y resistentes con superficies duras y resistentes al desgaste, obtenidas mediante recargue o tratamiento térmico.

Los ingenieros equilibran estos requisitos contrapuestos mediante una cuidadosa selección de materiales, un diseño estratégico de componentes y una ingeniería de superficies selectiva. Por ejemplo, los cucharones de excavadoras pueden utilizar acero estructural de alta tenacidad para el cuerpo principal con placas de desgaste reemplazables o revestimiento duro en las zonas de mayor desgaste.

Análisis de fallos

La abrasión por ranurado representa un modo de fallo común en el que partículas grandes y angulares crean ranuras profundas y arrancan material bajo alta tensión. Este mecanismo progresa mediante una deformación superficial inicial, seguida de un desplazamiento del material y un eventual desprendimiento, a menudo acelerado por el endurecimiento por acritud y la posterior microfisura.

El desgaste abrasivo de tres cuerpos se produce cuando las partículas ruedan entre dos superficies, creando múltiples hendiduras en lugar de arañazos direccionales. Este mecanismo puede ser especialmente dañino cuando las partículas se incrustan en superficies más blandas y luego se desgastan contra superficies más duras.

Las estrategias de mitigación incluyen aumentar la dureza de la superficie mediante tratamiento térmico o ingeniería de superficies, mejorar la exclusión de partículas mediante sistemas de sellado e implementar programas de mantenimiento basados ​​en modelos predictivos de desgaste en lugar de esperar a que se produzca una falla catastrófica.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono determina fundamentalmente la resistencia a la abrasión al controlar la fracción volumétrica y la dureza de los carburos. Aumentar el carbono del 0,2 % al 0,8 % puede mejorar la resistencia al desgaste de 2 a 3 veces, aunque el contenido óptimo depende de los requisitos de la aplicación y de otros elementos de aleación.

El cromo mejora significativamente la resistencia a la abrasión al formar carburos duros y resistentes al desgaste (principalmente M₇C₃ y M₂₃C₆). Con un contenido de 12-18 % de Cr, estos carburos ofrecen una excelente resistencia a la abrasión, tanto a baja como a alta tensión, especialmente al combinarse con niveles de carbono superiores al 1 %.

El manganeso mejora la resistencia al desgaste mediante el endurecimiento por acritud en aceros austeníticos (12-14 % Mn), mientras que el molibdeno (0,5-3 %) mejora el endurecimiento secundario durante el revenido. El vanadio y el niobio forman carburos finos y duros que resisten la abrasión especialmente bien en aplicaciones de alta temperatura.

Influencia microestructural

El refinamiento del tamaño de grano mejora la resistencia a la abrasión al aumentar el límite elástico y la dureza. Reducir el tamaño de grano de ASTM 5 a ASTM 10 puede mejorar la resistencia al desgaste entre un 15 % y un 30 %, especialmente en aceros martensíticos y bainíticos.

La distribución de fases afecta significativamente el rendimiento, siendo la martensita la matriz más resistente a la abrasión, seguida de la bainita y la perlita. La austenita retenida puede ser beneficiosa en ciertas aplicaciones debido a su capacidad de endurecimiento por deformación durante la abrasión.

Las inclusiones y los defectos actúan como concentradores de tensiones que aceleran el desgaste mediante microfisuras y la eliminación de material. Controlar los niveles de oxígeno y azufre por debajo de 30 ppm y 20 ppm, respectivamente, puede mejorar significativamente la resistencia a la abrasión en aceros de alto rendimiento.

Influencia del procesamiento

El tratamiento térmico influye profundamente en la resistencia a la abrasión, y el temple y revenido suelen proporcionar combinaciones óptimas de dureza y tenacidad. La austenización a 850-950 °C, seguida de temple y revenido en aceite a 200-250 °C, maximiza la resistencia a la abrasión en muchos aceros de medio carbono.

El trabajo mecánico mediante laminación o forja permite alinear las características microestructurales para mejorar la resistencia al desgaste en direcciones específicas. El trabajo en frío aumenta la dureza superficial mediante el endurecimiento por deformación, duplicando potencialmente la resistencia a la abrasión de los aceros austeníticos.

La velocidad de enfriamiento durante el tratamiento térmico controla el tamaño y la distribución del carburo. Un enfriamiento más rápido generalmente produce carburos más finos que mejoran la resistencia al desgaste. Sin embargo, un enfriamiento extremadamente rápido puede introducir tensiones residuales que pueden provocar agrietamiento prematuro durante el servicio.

Factores ambientales

La temperatura afecta significativamente la resistencia a la abrasión, y la mayoría de los aceros presentan una menor resistencia al desgaste por encima de los 200 °C debido al ablandamiento. Los grados especializados con elementos de endurecimiento secundario mantienen un mejor rendimiento a temperaturas elevadas.

Los entornos corrosivos aceleran la pérdida de material mediante mecanismos químicos y mecánicos combinados. Incluso una corrosión leve puede aumentar la tasa de desgaste de 3 a 5 veces al eliminar continuamente las capas protectoras de óxido y exponer el metal fresco a la abrasión.

Los efectos dependientes del tiempo incluyen el endurecimiento del trabajo, que puede mejorar la resistencia a la abrasión durante el servicio inicial, y cambios microestructurales como el engrosamiento del carburo, que pueden reducir el rendimiento durante períodos prolongados a temperaturas elevadas.

Métodos de mejora

El endurecimiento superficial mediante carburación, nitruración o boruración puede aumentar la resistencia a la abrasión mediante la creación de capas superficiales duras (700-1200 HV) a la vez que mantiene la tenacidad del núcleo. Las profundidades de recubrimiento de 0,5-2,0 mm son típicas para aplicaciones industriales.

El recargue duro mediante procesos de soldadura aplica recubrimientos resistentes al desgaste que contienen altos niveles de cromo, carbono y, en ocasiones, tungsteno o vanadio. Estos depósitos pueden alcanzar durezas de 55-70 HRC con una excepcional resistencia a la abrasión.

La optimización del diseño incluye la incorporación de componentes de desgaste reemplazables, dirigir el flujo abrasivo lejos de las superficies vulnerables y crear geometrías autoafilables que mantienen la eficacia incluso a medida que avanza el desgaste.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La erosión se refiere a la remoción de material por el impacto de partículas o fluidos en ángulo con respecto a la superficie. Se distingue de la abrasión por su componente de impacto. Mientras que la abrasión implica contacto deslizante, la erosión implica impactos discretos de partículas que causan la remoción de material mediante diferentes mecanismos.

La dureza representa la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, medida generalmente mediante ensayos de indentación (Brinell, Rockwell, Vickers). Aunque está estrechamente relacionada con la resistencia a la abrasión, la correlación no siempre es lineal, sobre todo al comparar diferentes clases de materiales.

La tribología abarca la ciencia más amplia de las superficies que interactúan en movimiento relativo, incluyendo la fricción, la lubricación y el desgaste. La abrasión representa un mecanismo de desgaste específico dentro de este campo, junto con la adhesión, la fatiga y el desgaste corrosivo.

Normas principales

La norma ASTM G190 proporciona una guía estandarizada para la selección de pruebas de desgaste que ayuda a los ingenieros a elegir los métodos de prueba adecuados según los mecanismos de desgaste específicos y los requisitos de la aplicación. Esta norma es especialmente útil para correlacionar las pruebas de laboratorio con el rendimiento en campo.

La norma EN 14879 (norma europea) aborda la protección contra la corrosión y la abrasión de equipos industriales mediante sistemas de revestimiento y recubrimiento, con disposiciones específicas para componentes de acero en entornos agresivos.

La norma china GB/T 4340 se diferencia de los enfoques de ASTM al enfatizar pruebas orientadas a aplicaciones específicas para equipos de minería y agricultura, con un mayor enfoque en escenarios combinados de impacto y abrasión comunes en estas industrias.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en el desarrollo de aceros nanoestructurados con distribuciones optimizadas de fases duras en matrices tenaces. Estos materiales buscan superar el tradicional equilibrio entre dureza y tenacidad mediante ingeniería microestructural a escala controlada.

Las tecnologías emergentes incluyen el modelado computacional del desgaste, que predice las tasas de abrasión basándose en las características microestructurales y las condiciones de operación. Estos modelos incorporan cada vez más enfoques de aprendizaje automático basados ​​en amplios conjuntos de datos experimentales.

Los desarrollos futuros probablemente incluirán materiales "inteligentes" resistentes al desgaste que se adapten a condiciones cambiantes mediante transformaciones de fase o mecanismos de autorreparación. Además, las tecnologías de monitoreo no destructivo permitirán la evaluación del desgaste en tiempo real, cambiando el mantenimiento programado por uno basado en la condición.