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  2. Cojinetes de metal antifricción   (04/01/2011)

Pueden tener una vida infinita con la instalación y mantenimiento adecuados

Cojinetes de metal antifricción

4 de enero de 2011

El término metal antifricción (también metal Babbitt o metal blanco) se usa para describir el material utilizado en los cojinetes donde la carga se transmite mediante partes no móviles, por deslizamiento, sin la ayuda de bolas o rodamientos. La técnica de fabricación de cojinetes antifricción es antigua, pero a la vez aún un poco desconocida.

Habitualmente, la estructura del cojinete está construida en acero, fundición o bronce, y la parte donde existe fricción por deslizamiento se recubre con el metal antifricción más apropiado para cada aplicación, en consonancia con el metal base del cojinete. El elemento rotatorio está separado del cojinete por una película de aceite, que le mantiene flotando en él, impidiendo el contacto metal-metal. El metal blanco tiene elevada resistencia a la fricción con el aceite a presión, y en caso de que, debido a una mala manipulación de la máquina, se rompa la película y el eje ‘caiga’ sobre el metal antifricción, el eje no se daña y la capa de metal blanco es fácil de reparar mediante las técnicas que se explican en el presente artículo.

Podemos afirmar que un cojinete de este tipo aporta un entorno sin fricción para soportar y guiar un eje rotatorio. Esta técnica de fabricación nos permite trabajar con cojinetes sin elementos de rodadura, y sin los problemas que éstos pueden comportar, a la vez que nos permite disponer de cojinetes para ejes de diámetros elevados, sin depender de los ya mencionados elementos de rodadura. La maquinaria industrial con elevada potencia y elevadas cargas, como turbinas de vapor, compresores centrífugos, bombas o grandes motores eléctricos utilizan cojinetes antifricción. Con una buena instalación y mantenimiento, los cojinetes antifricción pueden tener una vida infinita.

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Materiales y lubricación

En general, el criterio para la utilización de un cojinete antifricción es conseguir la mínima fricción entre los dos componentes, combinado con la ausencia de problemas por gripado, por fallo mecánico o por distorsión y/o fatiga. Según la geometría del sistema, las condiciones de carga y velocidad, y la atmósfera de trabajo del equipo, deberemos escoger el tipo de metal blanco y la lubricación más adecuados.

Las aleaciones de metal Babbitt

Una aleación de metal blanco debe asegurar una baja fricción y capacidad para soportar la carga sin gripar, distorsionarse, fallar mecánicamente o sufrir corrosión. Las propiedades requeridas son las siguientes:

  • La aleación de metal antifricción debe tener bajo punto de fusión y buenas propiedades de fusión y colada, para que su composición permanezca sin modificaciones después de variaciones de temperatura, y no se oxide térmicamente. También debe adherirse fácilmente a su soporte de metal, y no debe haber una contracción destacable durante el enfriamiento, ni modificar sus propiedades o dimensiones por envejecimiento.
  • El metal debe presentar una estructura de dos fases, consistente en partículas duras en una matriz dúctil. Las partículas duras, evidentemente, dan dureza a la aleación, soportando la carga, mientras que la base dúctil aporta buenas propiedades de conformabilidad. Además, la matriz se desgasta de forma homogénea hasta un nivel ligeramente inferior a la fase más dura, permitiendo la formación de pequeños canales de irrigación para la lubricación.
  • Las variaciones de temperatura durante el servicio no deben producir desvíos significativos en la dureza del material o en la resistencia a la fatiga, ni en cualquiera de sus otras propiedades mecánicas.
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  • La aleación debe presentar buena resistencia al desgaste en las condiciones de trabajo impuestas al cojinete. Cabe destacar que la resistencia al desgaste no es una propiedad determinada por un solo metal o varios metales, sino por el conjunto de la aleación y por otros factores como la temperatura, el tipo de lubricante, la presencia de impurezas abrasivas en éste, y la forma geométrica de la superficie.
  • El metal blanco debe tener resistencia a la corrosión que pueda provocar el lubricante, pues ésta haría que la superficie del cojinete adquiriera demasiada rugosidad. Si una sola de las fases de la aleación es atacada por la corrosión, existirá una debilitación de la estructura, que puede conllevar efectos desastrosos. Los agentes corrosivos más habituales son los productos ácidos que pueden aparecer por la oxidación de los aceites empleados, o incluso el agua marina.

Podemos afirmar que una aleación para cojinetes debe tener un límite elástico suficiente para evitar una deformación general, pero lo bastante bajo para permitir deformaciones locales, combinado con propiedades de resistencia a la fatiga tan elevadas como sea posible.

Las aleaciones Babbitt pueden ser base estaño o base plomo. Las primeras disipan mejor el calor, y las segundas tienen mejor resistencia a la corrosión por ácidos, soluciones amoniacales y otros productos químicos, aunque debido a su composición cada vez son menos utilizadas. Además, ambas contienen antimonio y cobre, que dan dureza a la aleación. El resto de elementos de aleación puede variar según el material utilizado, provocando variaciones en sus propiedades, pero todas las aleaciones antifricción conservan las propiedades comunes de elevada ductilidad, colabilidad y resistencia a la corrosión. Las composiciones químicas para estas aleaciones se rigen por la norma ASTM B23.

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Los cojinetes con un menor contenido de metales aleados son menos resistentes a la compresión, y los que tienen mayor contenido de metales aleados son más susceptibles de sufrir fisuración; es necesario conseguir un compromiso entre los dos casos para tener una aleación antifricción adecuada.

Lubricación

La lubricación de un cojinete se produce por la formación de una capa de lubricante entre la superficie del cojinete y el eje. La presión que se desarrolla en esta capa, tiene que hacer flotar el eje sobre el cojinete. Si el cojinete se ha fabricado correctamente, y si funciona en condiciones ideales, la película continua de aceite separa siempre las dos superficies metálicas, evitando el contacto.

Cuando el cojinete no trabaja en las condiciones óptimas, la película de aceite lubricante se rompe localmente o completamente, y da como resultado zonas de fricción metal-metal, afectando a las superficies de los dos componentes en contacto y provocando gripaje. Si las condiciones de carga, velocidad y lubricación son normales, el fallo de la película puede venir por un reglaje incorrecto de la alineación, que induce a presiones excesivas en determinados puntos, o por la presencia de partículas abrasivas en el agente lubricante.

Aunque el conjunto se mantenga bien alineado, y con la lubricación correcta con un aceite limpio de impurezas, en cualquier arranque o parada del equipo la película de aceite se rompe, pues la velocidad de rotación del eje es demasiado baja y no puede garantizar una presión hidrodinámica suficiente. La utilización de una capa de metal blanco como recubrimiento interior de un cojinete, atenúa el efecto de dichas condiciones desfavorables: el efecto de una mala alineación se reduce por la deformabilidad plástica del metal, y las impurezas pueden incrustarse en la capa.

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Si el cojinete trabaja en régimen hidrodinámico con lubricación perfecta, la fricción aumenta ligeramente al aumentar la velocidad de rotación del conjunto; cuando el cojinete arranca o para, es inevitable encontrarse con situaciones en las que hay fricción metal-metal o en un estado de funcionamiento en el que el régimen hidrodinámico no es el adecuado. Sin embargo, esta fricción se puede reducir al mínimo gracias a la baja dureza de las aleaciones empleadas, pues la avería se limita a la superficie más blanda. Además, estas aleaciones tienen bajo punto de fusión, así que podemos evitar la combustión del lubricante en zonas de fuerte presión instantánea, en las que la temperatura puede subir repentinamente y provocar fusiones de material blanco localizadas. Por la alta conductividad térmica, disipan las altas temperaturas y permiten que el lubricante conserve su viscosidad.

En resumen, la conformabilidad de las aleaciones Babbitt permite a la carga repartirse de manera uniforme en toda la superficie del cojinete, y así establecer con más rapidez el régimen hidrodinámico necesario, pues tienen capacidad para adaptarse con gran exactitud a la superficie más dura con la que están en contacto.

Fabricación

El buen funcionamiento de un cojinete antifricción, según lo descrito anteriormente, depende en gran parte de las propiedades mecánicas de las aleaciones que lo forman, y de un buen funcionamiento basado en una buena lubricación, pero también es necesario considerar su proceso de fabricación. El primer objetivo en el momento de decidir el material y de hacer el cálculo de dimensiones, es el de conseguir que el cojinete permita un establecimiento fácil del régimen hidrodinámico, y que por tanto funcione a la temperatura lo más baja posible (según la viscosidad necesaria para el lubricante), y dónde las superficies enfrentadas tengan un mínimo número de tensiones provocadas por la fricción. Se deben tener en cuenta los siguientes factores:

  • La relación entre la longitud y el diámetro.
  • El juego del eje dentro del cojinete.
  • Las ranuras de engrase nunca deben estar cerca de las zonas de máxima presión.
  • La estructura exterior del cojinete (el soporte del metal blanco), debe ser la adecuada para la capa de metal antifricción, evitando la flexión en las cargas oscilantes y soportando los posibles esfuerzos laterales a los que pueden estar sometidos los cojinetes.

Por estas razones, el soporte debe ser suficientemente rígido y la adherencia del metal blanco debe ser perfecta. La intercara entre los dos metales debe de soportar también dichos efectos, asegurando el buen funcionamiento del cojinete y su conductividad térmica, evitando así cualquier avería; la mala adherencia es una de las causas más frecuentes del fallo de un cojinete, junto con las averías por mala lubricación del conjunto. La calidad en el método de antifriccionado (o patentado) es determinante para asegurar un buen funcionamiento del cojinete, pero también su geometría y diseño.

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Si el soporte es más grueso en determinados lugares, el enfriamiento en estas zonas será más lento, pudiendo dar defectos a lo largo de la intercara y del metal blanco, como consecuencia de las distintas velocidades de enfriamiento. En referencia al recubrimiento antifricción, también es necesario considerar su espesor, pues las propiedades pueden variar si existen diferencias considerables en la capa de metal blanco.

Las técnicas de patentado de cojinetes son las siguientes, de mayor a menor calidad de antifriccionado:

  • Centrifugado con refrigeración controlada.
  • Soldadura manual.
  • Proyección térmica.
  • Colada estática.

Según la geometría del soporte del cojinete, se considerará cuál es la técnica más adecuada. Por ejemplo, en casos en los que el soporte no tiene una forma adecuada para poder instalarse en la máquina centrifugadora (por ejemplo en cojinetes axiales), el cojinete se fabricará por soldadura manual, mientras que para cojinetes con un soporte muy delgado, dónde no se podrá calentar excesivamente el material para evitar deformaciones, el uso de técnicas ‘frías’, como es la Proyección Térmica, será aconsejable. Todas las técnicas nombradas aseguran una excelente calidad para la capa, siempre que su aplicación sea efectuada siguiendo los parámetros de calidad adecuados.

Producción de cojinetes centrifugados con refrigeración controlada

Los pasos a seguir para la fabricación de una capa de metal antifricción en un cojinete son los siguientes:

1. Limpieza del soporte del cojinete mediante mecanizado, tratamiento térmico o a la llama, para eliminar posibles restos de una capa de metal blanco anterior y para eliminar cualquier impureza que pueda estar presente en el soporte (pinturas, óxidos...). Una vez limpio, es necesaria una activación de la superficie para obtener la rugosidad necesaria para el proceso. La operación siguiente deberá efectuarse inmediatamente después de la limpieza.

2. Estañado del cojinete, para formar una capa de estaño uniforme en el soporte, asegurando la correcta adherencia. Para llevar a cabo dicha operación, se puede utilizar la técnica de inmersión en baño de estaño o estaño en polvo. Una vez finalizado el proceso de estañado, el soporte se enfría con agua. Según el material del que esté formado el soporte del cojinete y su geometría, puede haber variaciones de los productos o técnicas a utilizar.

3. Antifriccionado del cojinete, una vez tenemos la superficie estañada correctamente. Se debe montar el cojinete en la máquina centrífuga y precalentar hasta la temperatura de fusión del estaño. Cuando el estaño haya adquirido un estado semiplástico se aporta el metal antifricción en el interior del cojinete, que debe estar centrifugando a la velocidad adecuada. Las revoluciones dependen del diámetro del mismo. Seguidamente se procede a enfriar exteriormente y de forma controlada el cojinete, controlando los parámetros según la masa a enfriar. Este proceso debe efectuarse desde el exterior para asegurar una buena unión del metal antifricción con el soporte, y asegurar la buena calidad de la capa.

4. Mecanizado en desbaste del cojinete.

5. Control de Calidad de la capa por ensayos no destructivos: líquidos penetrantes para control de poros o fisuras y ultrasonidos para asegurar la continuidad en la adherencia de la capa. Los ensayos nombrados se efectúan según normas ISO 4386-1 (US) y ISO 4386-3 (LP).

6. Mecanizado final del cojinete para alcanzar las medidas finales requeridas.

7. Control de Calidad final, siguiendo las normas expuestas en el punto 5.

Así, una vez obtenida la capa de metal antifricción en el cojinete con la calidad exigida, se puede proceder a su instalación para que desempeñe su función.

Aplicaciones

Las aplicaciones actuales en las que se requiere el uso de cojinetes antifricción son muy diversas, y se ha demostrado el buen funcionamiento de la tecnología implicada y de las técnicas de fabricación de este tipo de componentes. La funcionalidad de los cojinetes antifricción es amplísima, existiendo numerosas aplicaciones, materiales y geometrías. Los cojinetes de metal Babbitt son adecuados para cargas grandes con velocidades pequeñas, para cargas pequeñas a grandes velocidades, para diámetros de eje elevados pero de longitud pequeña y viceversa, para distintos espesores de pared y diferentes requerimientos mecánicos, y todo con una gran variedad de materiales para aplicar según sea conveniente en cada caso.

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Esta tabla resume de forma esquemática los usos más habituales de los cojinetes antifricción, según el material aplicado.

Conclusiones

Aunque la fabricación de cojinetes antifricción es una técnica antigua, pocas empresas han desarrollado métodos actuales para obtener dicho producto. El proceso exige ser riguroso y estricto para escoger los materiales más adecuados, los procesos de fabricación idóneos y la técnica, entendiendo de antemano los conceptos utilizados y las necesidades del cliente usuario del cojinete. Además, es necesaria una investigación constante, que permita estar en la vanguardia tecnológica, y así ofrecer el mejor servicio, pues cada vez las aplicaciones de los cojinetes antifricción exigen más solicitaciones y mayor compromiso técnico y de rendimiento.

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