Mejor acero hace mejores cilindros

La innovación demostrará ser la clave para la supervivencia de los mineros, debido a la creciente competencia de los fabricantes de equipos originales (OEM) del Lejano Oriente, que compiten para que sus productos cumplan con los estándares establecidos por sus contrapartes occidentales. Asimismo, los OEM occidentales deben esforzarse por mantener la distancia entre sus propias innovaciones tecnológicas y las de los nuevos jugadores.

La solución real radica en mejorar el rendimiento y la producción de los componentes de minería y construcción. Esto requiere aumentar la eficiencia y la productividad sin comprometer la seguridad y minimizar las fallas operativas para operaciones más rentables. Sin embargo, surgen problemas debido al rendimiento insuficiente de los componentes fabricados con aceros de ingeniería tradicionales, como el acero al carbono simple, que a menudo provoca fallas costosas y destructivas en los equipos.

Vástago de pistón en cilindro hidráulico

Los vástagos de los pistones hidráulicos son un ejemplo del bajo rendimiento del acero tradicional. Estas condiciones dan como resultado fugas de aceite o pérdida de presión, o requieren el reemplazo periódico y destructivo del cilindro. El análisis ha determinado que estas fallas son causadas por el estrés cíclico, que es común en aplicaciones exigentes de minería y construcción, y donde el vástago del pistón a menudo está expuesto a este estrés durante períodos prolongados. Desafíos para los OEM: a pesar de estos problemas, ¿cómo reducir el costo de los vástagos de pistón?

El principal impulsor del costo y el capital de la varilla del cilindro hidráulico es el diámetro de la varilla. El costo del material, manejo y corte aumenta con el peso de la barra. Al mismo tiempo, el costo de las operaciones superficiales (mecanizado, rectificado, cromado, etc.) aumenta a medida que aumenta el área superficial. Como resultado, el costo de la varilla aumenta exponencialmente con el diámetro.

Como regla general, el costo del vástago se reduce en un 15% al ​​reducir su diámetro en 5 mm. Otros efectos son un peso más ligero y requisitos de espacio reducidos, que también pueden traducirse en un menor consumo de energía y una mayor versatilidad de diseño.

Pero para obtener estos beneficios, el material de la barra debe ser lo suficientemente resistente para mantener la misma resistencia en el diámetro más pequeño. Por lo tanto, un parámetro clave en el diseño del vástago del pistón hidráulico es el dimensionamiento para fallas por fatiga, pandeo e impacto (Figura 1).

investigación de la fatiga

Durante décadas, Ovako Steel ha llevado a cabo una investigación exhaustiva sobre el comportamiento de la fatiga y las fallas y ha creado una extensa base de datos de datos de rendimiento detallados. El riesgo de pandeo de un vástago de pistón depende del límite elástico, el módulo de elasticidad del material y la geometría del vástago, definida por la relación de esbeltez. Las recomendaciones del Convenio Europeo para la Construcción en Acero (ECCS) y el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) definen la tensión de pandeo en función de la relación de esbeltez (λ):

λ = 4L/d

En general, el esfuerzo de pandeo a relaciones de esbeltez pequeñas corresponde al límite elástico del material y disminuye a medida que aumenta la relación de esbeltez, en casos extremos se vuelve independiente del límite elástico.

En la práctica, del 70% al 80% de los cilindros hidráulicos están diseñados con una relación de esbeltez baja o media (inferior a 100). Esto significa que el límite elástico del material tiene un impacto significativo en la definición del diámetro del vástago requerido para que un cilindro funcione en condiciones en las que existe el riesgo de pandeo.

Sin embargo, en muchos casos, el vástago del pistón opera en un entorno dinámico con fuerzas de vaivén y en el que es propenso a la fatiga. Cada vástago de pistón tiene un límite de fatiga único y las dimensiones se determinan empíricamente o mediante pruebas de fatiga del cilindro o vástago de pistón terminado.

En igualdad de condiciones, la resistencia a la fatiga aumenta con la resistencia a la tracción de la barra. Dado que el principal factor de costo es el diámetro de la barra, la resistencia del material de la barra es la palanca principal para la reducción de costos al dimensionar la barra para resistir la fatiga (Figura 2). En comparación con el C45E, el material más utilizado para las varillas de los cilindros hidráulicos, Ovako midió una reducción potencial de costos de alrededor del 20 % al 30 % al usar el material más fuerte.

Sin embargo, no todos los aceros de alta resistencia son adecuados para vástagos de pistón debido a los efectos inherentes de las inclusiones de escoria, que pueden intersectar superficies y crear segregación en el centro del vástago de pistón. De hecho, no es raro que las composiciones químicas diseñadas para aumentar la resistencia o la maquinabilidad terminen siendo la causa de los problemas de soldadura, especialmente los problemas de soldadura por fricción. Además, durante el proceso de cromado, algunas inclusiones de escoria en la superficie del material se disolverán, creando poros y dando como resultado un adelgazamiento de la capa de cromo.

El verdadero impacto en el costo de los diferentes aceros utilizados para los vástagos de los pistones es difícil de evaluar. Sin embargo, un enfoque simple es seleccionar primero algunos grados con suficiente resistencia al impacto y características adecuadas de mecanizado/soldadura, y luego elegir el grado con el precio más bajo por unidad de límite elástico.

Cromax es una gama de varillas y tubos de cromo y níquel cromo que se utilizan principalmente como vástagos de pistón en cilindros hidráulicos. Estos aceros fueron especialmente desarrollados para la fabricación de vástagos de pistón en cilindros hidráulicos. Pueden considerarse «aceros para vástagos de pistón», del mismo modo que los aceros desarrollados específicamente para aplicaciones de rodamientos de bolas y de rodillos se denominan aceros para rodamientos.

Revestimiento de cromo niquelado

Los sistemas de dirección, los sistemas de suspensión de los vagones y los mecanismos de inclinación de las carretillas elevadoras suelen tener un componente clave en común: los cilindros hidráulicos. Estos cilindros y el sistema hidráulico que soportan se han dado por sentado durante mucho tiempo. Pero si no tienen la capacidad de resistir la corrosión, las cargas dinámicas y años de desgaste constante, estos componentes y los vástagos de los pistones que los impulsan a menudo fallarán.

El cromado es, con mucho, el acabado más común para los vástagos de los pistones. Sin embargo, el cromo es menos dúctil y todos los recubrimientos de cromo tienen microfisuras que permiten que el entorno externo penetre en el recubrimiento y provoque corrosión. Esto puede ser bastante rápido en ambientes corrosivos o en aplicaciones de minería y construcción críticas para la seguridad donde la varilla está sujeta a daños mecánicos. El cromo se puede combinar con la capa de níquel subyacente para mejorar significativamente la resistencia a la corrosión (Figura 3).

Debido a su alta ductilidad, la capa de níquel-cromo puede mantener sus propiedades anticorrosivas en el campo, incluso en entornos hostiles de minería y construcción. Las pruebas aleatorias también son importantes para mantener el rendimiento de los cilindros hidráulicos, por ejemplo, las pruebas de compresión y corrosión (Figura 4).

Para proteger el vástago del pistón de daños cuando se somete a impactos externos, el endurecimiento por inducción de vástagos de pistón de cilindros hidráulicos ha demostrado ser beneficioso en aplicaciones exigentes de minería y explotación de canteras. El endurecimiento por inducción también puede mejorar las propiedades mecánicas de la varilla, especialmente la resistencia a la falla por pandeo en el modo de empuje. Las varillas endurecidas por inducción también se pueden reducir en diámetro en relación con las varillas no endurecidas de la misma base de acero para reducir el peso y el costo.

Otro medio importante de reducir el costo de los vástagos de pistón es minimizar el espesor de la capa de cromo o níquel-cromo. En aplicaciones críticas para la seguridad donde los componentes corren el riesgo de sufrir daños mecánicos, los fabricantes de cilindros deben elegir la combinación más delgada de cromo y níquel para brindar una protección adecuada contra la corrosión después de múltiples compresiones.

La calidad viene de la limpieza.

La calidad es uno de los principales requisitos que los clientes imponen a Ovako Steel. La calidad del acero está particularmente relacionada con su limpieza o la presencia de defectos en la metalurgia, como inclusiones no metálicas, sustancias extrañas producidas a través de reacciones químicas durante la fusión y la fundición que pueden alterar la uniformidad estructural del acero.

Se ha demostrado que las inclusiones no metálicas provocan grietas y fallas por fatiga en el acero. Estos hacen que muchos aceros convencionales fallen cuando se someten a las cargas inestables que varían continuamente y a las tensiones cíclicas que se encuentran en las exigentes aplicaciones mineras. Con base en el análisis de miles de fallas por fatiga utilizando la tecnología de microscopía electrónica de barrido (SEM), los ingenieros de Ovako pudieron mostrar cómo la calidad del acero puede afectar significativamente la vida de fatiga de un componente.

Los aceros convencionales a menudo tienen malas propiedades porque son de naturaleza anisotrópica o dependiente de la dirección. Durante la etapa de laminación, las inclusiones se deforman o alargan dentro del acero, por lo que cuando se cargan en paralelo a la dirección de laminación, su resistencia a la fatiga será mayor que cuando se cargan transversalmente.

Per Israelsson es Director de Tecnología de Marketing, Grupo Ovako Cromax , Ovako AB, Estocolmo, Suecia.

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