Los materiales de los rodamientos son la clave para conseguir una mayor fiabilidad

El uso de aceros específicos en rodamientos en función de la aplicación y de tratamientos superficiales permite aumentar significativamente la fiabilidad de los rodamientos, lo que a su vez contribuye a la reducción del TCO (Coste Total de Propiedad) de la maquinaria y del equipo. Para los rodamientos de alto rendimiento, la selección y optimización de los materiales desempeña un papel esencial en su desarrollo. Por esta razón, la ingeniería de estos es una de los cuatro pilares centrales de investigación y desarrollo en NSK.

La vida a fatiga de los rodamientos con aceros aleados, tales como 100 Cr6 (o SUJ2 en el estándar japonés), por ejemplo, depende principalmente del contenido de impurezas. Las inclusiones de óxido o partículas no metálicas en particular provocan efectos negativos debajo de la superficie del camino de rodadura. Como ejemplo, se sabe que las inclusiones de óxido de aluminio, que se forman por el proceso de oxidación durante la fusión, pueden conducir a una reducción importante en la vida de fatiga del rodamiento. Este efecto se crea porque las inclusiones de óxido de aluminio son relativamente duras y pueden romperse cuando se procesa el acero, como por ejemplo durante la forja. Cuando se produce la ruptura, las inclusiones se contraen y debilitan la microestructura.

En asociación con un fabricante líder de acero, NSK ha desarrollado materiales como acero Z, acero EP y BNEQARTET para evitar este tipo de efecto negativo. Algunos de estos materiales se fabrican mediante procesos especiales de fusión que reducen el contenido no metálico y prolongan la vida útil de fatiga.

El tratamiento térmico es otro parámetro que afecta las características específicas de los aceros y, en consecuencia, también a los rodamientos. Este hecho es el motivo por el que los materiales como el acero SHX de NSK se someten a un tratamiento térmico específico que es particularmente resistente al desgaste a altas temperaturas de funcionamiento. Los rodamientos de este tipo son necesarios no solo donde el calor está presente como parte inherente del proceso, sino también en aplicaciones tales como máquinas herramienta, en las que rápidas velocidades generan altas temperaturas en el cabezal.

Durante el desarrollo, las características del acero SHX se probaron mediante pruebas exhaustivas de resistencia al desgaste, que incluían pruebas de cuatro bolas y rodillos, así como pruebas de vida de fatiga superficial y del material.

El tercer parámetro en la búsqueda de una mayor fiabilidad del rodamiento es la aleación. Las aleaciones pueden prevenir, o al menos minimizar, la formación de grietas en la microestructura del rodamiento. De nuevo, en colaboración con los fabricantes de acero, NSK ha desarrollado varias aleaciones especiales para este perfil de aplicación.

Los materiales como el Acero Súper Resistente de NSK (NSK Super Tough steel) se crean gracias a la combinación del tratamiento térmico con una aleación especial (Imagen 1). Por ejemplo, el endurecimiento de los aceros mediante un proceso como la carbonitruración aumenta la vida útil en un factor de dos en comparación con la vida útil estimada en condiciones de lubricación contaminada. En entornos en los que el lubricante contiene impurezas normales, la vida útil de los rodamientos incluso se puede aumentar en un factor de 10. La razón de este rendimiento mejorado es que el desgaste inducido en la superficie causado por la lubricación insuficiente o la contaminación del lubricante se reduce significativamente. A su vez, cualquier daño potencial causado por “grietas por fatiga bajo la superficie”, (WEC) se retrasa.

El desarrollo de nuevos materiales generalmente responde a las tendencias industriales o a cambios en los requisitos de la aplicación. Este fue el caso de la tecnología BNEQARTET, que NSK introdujo por primera vez hace dos años (Imagen 2). BNEQARTET se creó inicialmente en respuesta al aumento constante en el tamaño de los tambores de la lavadora. Los rodamientos de bolas de ranura profunda que se utilizan profusamente en las lavadoras de carga frontal en toda Europa están sujetos a cargas desiguales y asimétricas. Con el aumento del tamaño del tambor, las mayores cargas de lavado imponen exigencias aún mayores a los rodamientos.

En respuesta, los expertos en materiales de NSK se propusieron mejorar la composición de la aleación de un acero especial que evitase la formación de grietas e indentaciones en los caminos de rodadura y, lo que es más importante, impedir que se propagasen. Además, este acero en particular es especialmente puro. El conjunto de medidas aplicadas en la tecnología BNEQARTET dio como resultado una duplicación de la vida útil del rodamiento en condiciones de cargas elevadas y condiciones ambientales desfavorables.

Otro ejemplo del desarrollo de materiales orientados a la aplicación proviene del mundo de la tecnología de las turbinas eólicas. Aquí, el daño a los rodamientos en forma de WEC puede ocurrir por debajo de la superficie del material (Imagen 3). Estas estructuras blancas de ferrita frágil, que se forman por cambios en la microestructura, se pueden observar en secciones transversales grabadas y pulidas del material. Las estructuras alteradas ya no son capaces de soportar las cargas elevadas que se aplican. Las grietas por fatiga bajo la superficie (WEC) se forman y se extienden, lo que conduce a defectos en la superficie, como corrosión o descamación de la estructura (WSF).

Los científicos nunca han podido explicar completamente las razones de las grietas por fatiga bajo la superficie (WEC). Actualmente se asume que las condiciones son causadas por los efectos de la interacción de los componentes durante el funcionamiento.

Entre estos se incluyen dinámica, fricción mixta, cargas/corrientes eléctricas, factores químicos, movimientos de deslizamiento/resbalamiento y difusión de hidrógeno.

Gracias al éxito en la replicación de los efectos WEC en el laboratorio, NSK pudo desarrollar contramedidas entre las que se incluían el pulido de aceros endurecidos martensíticos para rodamientos junto con otros materiales específicos (Imagen 4). Se ha demostrado que este proceso adicional retrasa significativamente la aparición de daños WEC.

Otro método efectivo para reducir la probabilidad de daños WEC es el uso de anillos de rodamiento fabricados con acero NSK Super Tough Steel. Usando esta combinación de material y tratamiento superficial, la capacidad de carga dinámica puede mejorarse en un 23%, lo que en rodamientos es equivalente a duplicar la vida de fatiga.

Con respecto al desgaste inducido en la superficie debido a la lubricación deficiente o a la contaminación del mismo, éste se puede reducir considerablemente con el uso de rodamientos STF (Imagen 5), mientras que los potenciales daños WEC se retrasan. Una serie de pruebas llevadas a cabo por NSK demostró que el tiempo previo al inicio de los daños se había duplicado.

Otra estrategia ventajosa es la de usar anillos de rodamiento fabricados con “Anti-White Structure-Tough”, (Estructura Superficial Super Resistente, con siglas AWS-TF), un material patentado por NSK que se ha desarrollado específicamente para evitar los daños WEC. En una amplia serie de pruebas, se midió la vida útil de los anillos de los rodamientos de acero convencionales hasta el momento en que se detectaban daños WEC. Luego, se repitieron las series de pruebas con AWS-TF. Después de alcanzar una vida útil ocho veces superior a la de los anillos de los rodamientos de acero convencional, no se detectaron WEA (áreas con marcas de fatiga) en el material.

El desarrollo de materiales en NSK no se circunscribe solo al acero. Los materiales plásticos, así como los metales no ferrosos como el latón, también se prueban con el fin de mejorar las características de las jaulas. Además, las cerámicas y los recubrimientos cerámicos (Imagen 6) desempeñan un papel cada vez más importante cuando se deben realizar ajustes de las propiedades de conductividad eléctrica de los rodamientos y su resistencia al desgaste. Sobre este tema, NSK ha presentado recientemente un desarrollo de cerámica denominado HDY2, que destaca por sus características optimizadas de aislamiento y conductividad térmica.

Finalmente, otro de los puntos de interés para el desarrollo de materiales se refiere a los lubricantes. La tribología es una competencia básica separada en la organización de investigación y desarrollo de NSK, junto con la tecnología de materiales.