Rock Excavation Handbook: 2.4 Abrasividad de la roca. Vida de la herramienta.

CLASIFICACIÓN DEL DESGASTE.
El desgaste de la herramienta puede ser definido como la remoción de material micro o macroscópico fracturado de la superficie de la herramienta. En otras palabras, una degradación que reduce la vida útil de la misma. La clasificación del desgaste está basada en el movimiento relativo de los materiales en contacto, incluyendo deslizamiento, rodadura, oscilación, impacto y desgaste erosivo. Generalmente, la clase de desgaste encontrado en las herramientas de corte es una combinación de varios tipos. Algunos son predominantes sobre otros. Los tipos de desgaste están influidos por multitud de parámetros, muchos de los cuales son dependientes unos de otros, como la dureza y fractura del material de desgaste, tipo de contacto (deslizamiento, rodadura, impacto), temperatura y tensiones de contacto.

El desgaste de la herramienta es, por lo tanto, un proceso en el cual el resultado es determinado por las propiedades del material de la misma, la masa de roca, y las interacciones de fuerzas en la superficie de contacto entre estos materiales. La capacidad de desgaste de una masa de roca es una combinación de:
  • Los minerales constituyentes, incluido el tamaño y dureza de los granos.
  • Tenacidad y dureza de la roca intacta.
  • Profundidad y velocidad de corte.
  • Aparición de cargas de impacto sobre la herramienta, producidas por saltos debidos a las irregularidades de la roca.
  • Tipo de corte o tipo de movimiento de corte: impacto, raspado, rodadura, molienda, etc.
  • Presencia de refrigerantes en la interfase herramienta/roca.
  • Eficiencia del corte y barrido del material.
  • Tenacidad, resistencia al desgaste, dureza y calidad de la herramienta de corte.
Varios índices para la vida de la herramienta y el rango de desgaste son típicamente usados para la medida de la capacidad de desgaste de la roca. Las relaciones establecidas están basadas en la correlación de datos de campo históricos para la predicción del desgaste de la herramienta. Sin embargo, cuando se desarrollan nuevos métodos de laboratorio, los datos relevantes de campo a menudo no están disponibles.
En consecuencia, las relaciones entre los índices tipo nuevos y viejos de la vida de la herramienta y el desgaste a menudo se establecen de manera que los datos de campo que se informó anteriormente se pueden utilizar de forma indirecta.

CLASIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS DE DESGASTE.

La importancia de los mecanismos de desgaste para los carburos cementados (widia) se pueden clasificar según los daños que causan, por ejemplo insuficiencias macro y microscópicas.

FRACTURA MACROSCÓPICA Y FALLO ESTRUCTURAL.

Los carburos cementados comprenden un rango de materiales compuestos con partículas duras de carbono unidas entre sí con un enlace metálico. La proporción de la fase carbono está generalmente entre el 70 y el 97 por ciento en peso del compuesto metálico. Su tamaño de grano entre 0.14 y 14 micrómetros.
El carburo de tungsteno (WC), la fase dura, junto con el cobalto (Co), la fase del enlace, forma la estructura base de los carburos cementados, a partir de la cual otros tipos de carburos son desarrollados. Además de la proporción entre el tungsteno, el carbono y el cobalto; los carburos cementados pueden contener proporciones de carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (TaC) y carburo de niobio (NbC). También se producen carburos en los cuales el metal unión (Co) está parcial o totalmente reemplazado con otro metal como hierro, cromo, niquel, molibdeno o aleaciones de ellos.

La sobrecarga estructural y la fatiga referidas a la falla macroscópica o a la degradación de la estructura del material de la herramienta (tool tip) son causadas por las tensiones inducidas en el material de desgaste. Los huecos y fallos en los materiales sirven como lugares para la iniciación de la fractura, debido a la concentración de tensiones en esos puntos. En los carburos cementados, tales huecos y defectos, son el resultado de una porosidad debida a una incompleta densificación durante el proceso de sinterizado. También se pueden formar durante el servicio de la herramienta como resultado del estres inducido durante su historial de trabajo. En presencia de tensiones de cizallamiento, tales como las causadas por la fricción en un plano de desgaste, se pueden nuclear huecos microscópicos en los límites de grano del WC debido a la separación de granos de WC del ligante Co y otros granos de WC.

La dureza se puede definir y evaluar de muchas formas. La mecánica de fractura moderna proveé los medios para explicar la dureza ya que se ocupa de las condiciones de iniciación y crecimiento de la micro-rotura en materiales no homogéneos bajo tensiones y donde las fracturas de dureza del material son representadas por el factor crítico de intensidad de tensión Kic.
Un método indirecto usado comunmente para determinar la dureza de los carburos es el método Palmqvist, en el cual la suma de las longitudes de las esquinas de las grietas para un ensayo Vickers de indentación deriva en la dureza de fractura. El factor crítico de intensidad de tensión para los carburos se puede expresar como:

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Los tests de dureza en los carburos cementados muestran que el factor Kic aumenta con el contenido de cobalto y el tamaño del grano del carburo. El rango de Kic para:

  • Carburos cementados:  Kic = 5 – 30 MN/m^3/2
  • Roca intacta:                 Kic = 0.05 – 3 MN/m^3/2

La dureza de fractura es substancialmente reducida a temperaturas elevadas. Debido a esta reducción con la temperatura, los carburos cementados pueden exhibir una reducción de la tenacidad a elevadas temperaturas en los ciclos de carga.

Los carburos cementados son clasificados como materiales frágiles porque prácticamente no tienen deformación elástica antes de su fractura. Sin embargo, los carburos muestran grandes variaciones en su dureza debido a su estructura microscópica. Los tipos de fractura vistos en ellos son en el grano de carburo, en los límites entre granos y por cortadura en el enlace. En general, las fracturas aumentan con el tamaño del grano, y las producidas en el enlace, por la cantidad de Co de unión. Expresada como la energía de fractura, la mayor contribución de este último es, por ejemplo, la propagación de la grieta a través del enlace metálico.
La fatiga térmica de los carburos es más noticiable en las rocas no abrasivas ya que no hay evidencia visual de roturas térmicas al no haber un desgaste excesivo. Estas fracturas penetran profundamente en el volumen del material, corriendo en un entorno intergranular y ramificándose rapidamente. Las fracturas se cortan, removiendo “grandes” trozos de material y formando cráteres angulares. Una vez el proceso se ha iniciado, la herramienta rápidamente pierde uso para el corte de roca.
La resistencia al desgaste (una propiedad superficial) y la dureza (una propiedad del conjunto) son dos propiedades complejas, ambas dan al material la habilidad de resistir a la destrucción. La alta resistencia al desgaste de los carburos se consigue sólo si la demanda de dureza es reducida y viceversa. Sin embargo,  la alta resistencia al desgaste y la alta dureza se pueden conseguir a la vez si se redistribuye el material correctamente. Hay dos formas de hacer esto: con carburos cementados DP (de doble propiedad), o con recubrimientos de alto desgaste de materiales resistentes como el diamante policristalino (PCD) en un sustrato de carburo cementado.

En un caso ideal, la vida de la herramienta y su desgaste son inversamente proporcionales. Sin embargo, la vida de la herramienta está además determinada por las sobrecargas estructurales y el intervalo y rango de roturas catastróficas. La curva de distribución (Figura 2.4.-3) muestra las principales razones para el reemplazo de las herramientas de corte (en ruedas de corte, o piñas, etc) como una función de la tenacidad de la roca. En esa curva podemos ver como se incrementa la sensibilidad de la herramienta a los fallos por impacto en formaciones duras de roca así como se decrementa el efecto de la carga sobre la herramienta para cortar roca dura. Las herramientas cónicas no son tan sensibles a fallos catastróficos como las herramientas radiales.
La rotura catastrófica de la herramienta causada por un impacto es el típico resultado de un salto (bien de la herramienta o de la cabeza) que ocurre cuando hay una poco afortunada combinación de estructuras en la roca, junto con el diseño de la cabeza y la velocidad de rotación. N.d.T: Al hablar de cabezas se refiere a la piña de rozadora, rueda de TBM, cabezal de perforación y cualquier cosa donde se monten útiles de corte (tool tips).
form1La fuerza de impacto en la herramienta es causada por la acción del salto y la reentrada al corte en porciones duras de la masa de roca. Esto produce un astillado en la herramienta y al final un fallo catastrófico en los insertos de carburo. En los discos de hileras de insertos de carburo, a veces se experimenta un efecto dominó en la rotura.
Algunas estructuras de roca que reducen la vida de la herramienta son:

  • Roca de estructura variable en dureza o condiciones del frente mixtas.
  • Roca fracturada con huecos en el frente o zonas falladas.

La severidad del daño causado por el impacto se incrementa según aumenta la relación de durezas de los minerales en la cara mixta, por ejemplo VHNRmineral-2/VHNRmineral-1 (según se ilustra en la Figura 2.4.-4).

fig244

FRACTURA MICROSCÓPICA Y MECANISMOS DE DESGASTE.

Al microscopio, el desgaste de una herramienta es el resultado de cuatro mecanismos básicos: Fatiga superficial, reacción triboquímica, y desgaste adhesivo y abrasivo. La deformación plástica no se considera como un mecanismo propio de de desgaste, pero juega una parte importante en muchos procesos de erosión. Los mecanismos adhesivos y abrasivos dominan el proceso de desgaste de la herramienta durante el proceso de corte de la misma cuando la roca contiene minerales más duros que la herramienta misma. La fatiga superficial sólo tiene importancia cuando los ratios de desgaste son bajos, tanto que dan el tiempo necesario para que se produzca dicha fatiga.

DESGASTE ABRASIVO Y ADHESIVO.

fig245

Los mecanismos abrasivos y adhesivos son la causa primaria del desgaste en herramientas que trabajan sobre roca abrasiva. El desgaste causado por la abrasión corrediza se divide en cuatro tipos básicos de fallo material:  micro-surco, micro-fatiga, micro-corte y micro-rotura (Figura 2.4.-5).

Una de las propiedades de los materiales metálicos requerida para resistir el desgaste abrasivo es la dureza superficial. Estudios realizados muestran que los mecanismos de desgaste abrasivo son una función de la dureza relativa superficial del metal con el que entran en contacto. Se estableció que un material será rayado por otro cuando la diferencia entre sus durezas superficiales sea mayor que un 20%.

El desgaste abrasivo puede ser dividido en dos categorías: blando y duro.

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La tasa de desgaste es relativamente baja y no depende en gran medida de la relación real entre durezas. El desgaste abrasivo suave en carburos cementados (WC) se produce cuando las partículas abrasivas (cuarzo, por ejemplo) que son más suaves que los granos de WC aún más duro que el aglutinante Co, eliminan preferentemente el aglutinante Co, dejando las partículas de WC sueltas de la estructura. En ausencia de efectos térmicos, la tasa de desgaste abrasivo suave es relativamente baja.

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