Reducción del desgaste en husillos y barriles

Los materiales metálicos tienen un papel fundamental en la manufactura de husillos, cilindros y en general herramental para el procesamiento de termoplásticos (extrusión, inyección, soplado, y otros). El enfoque principal de los desarrollos está dirigido hacia la reducción del desgaste de estos componentes.

El desgaste es inevitable y es inherente a los materiales poliméricos que son procesados, a la geometría de las partes, a la fricción y a la escogencia de los aceros. El uso de recubrimientos especiales permite que la vida útil de los husillos y herramentales se prolongue significativamente.

En los metales, el desgaste es un deterioro causado por las interacciones entre superficies, por el uso o por la operación de un proceso continuo. Se observa por la remoción o deformación del material metálico o pérdida de las dimensiones originales como el resultado de una acción de la superficie opuesta (metal- metal) o la interacción metal- polímero.

Tipología del desgaste

Existen varios tipos de desgaste en los equipos de procesamiento de polímeros¹:

• Desgaste adhesivo
• Desgaste abrasivo, y
• Desgaste corrosivo

El desgaste adhesivo se debe al movimiento, por ejemplo, la rotación del husillo, y está caracterizado por el transporte axial del material polimérico en una cámara cerrada (la que se establece en el sistema husillo-husillo y husillo-cilindro). En el caso de los husillos contrarrotantes de las extrusoras doblehusillo este tipo de desgaste es mucho más marcado. Las condiciones de velocidad y presión en la cámara cerrada poseen una alta influencia en este tipo de desgaste.

El desgaste abrasivo es causado por el uso de rellenos o cargas en los polímeros, tales como, carbonato de calcio, talco y otros. Este desgaste se observa especialmente en los filetes y en la raíz del husillo. Se puede incluso presentar una erosión extrema de las diferentes superficies del husillo (p.ej., en flancos activo y pasivo). Uno de los procesos que más presenta este tipo de desgaste es la extrusión de tuberías. Variables como el tipo de relleno, porcentaje en la formulación o compuesto, su granulometría (tipo de granulación o micronización) y si se trata de materiales recubiertos o no (p.ej. con ácido esteárico), son cruciales con respecto a este tipo de desgaste. La Figura 1 ilustra un husillo desgastado por abrasión², especialmente en la superficie de los filetes.

El desgaste corrosivo juega un papel importante en las extrusoras mono y doblehusillo, cuando se procesan compuestos que tienen la tendencia a adherirse a las superficies metálicas. La masa fundida una vez adherida al acero sufre una posterior degradación, la cual tiene el efecto corrosivo que genera el ataque al metal. En el caso del procesamiento de compuestos de PVC, es conocido que cuando éste se degrada severamente genera ácido clorhídrico, de alto poder corrosivo. Para el caso de la transformación del PVC, las superficies metálicas de husillos y herramentales tienen recubrimientos especiales.

El desgaste es influenciado en el procesamiento de polímeros principalmente por los siguientes parámetros:

• Material polimérico a ser procesado
• Productividad o flujo másico de la extrusora o unidad de plastificación, kg/h
• Longitud de la extrusora o unidad de plastificación, L/D
• Geometría del husillo(s)
• Condiciones de procesamiento

El material polimérico a ser procesado es de gran influencia en el desgaste. La presencia de reciclado postconsumo, cargas y su tipología, determinan el grado de abrasión del material. A manera de ejemplo, y en el caso de los rellenos, el carbonato de calcio es una carga de estructura redondeada, la caliza es una carga de estructura cuboide y el talco es una carga con estructura de placas con diferente relación de aspecto. Para el procesamiento de este tipo de materiales es necesario prever husillos que tengan recubrimiento por procesos electrolíticos, p.ej. cromo duro. La Figura 2 muestra las microfotografías de dos tipos de cargas ¹.

La longitud de la extrusora o unidad de plastificación es importante en el desgaste, por el porcentaje que constituye la componente energética de cizalladura (movimiento del husillo) sobre la energía total.

En este punto hay dos grandes tendencias de alta productividad o flujo másico: extrusoras cortas (L/D < 20) y de alta velocidad de rotación, versus, extrusoras largas (L/D > 36) y de baja o moderada velocidad de rotación. En el caso de las extrusoras largas se está observando cada vez más la presencia de control de temperatura en el husillo (denominado "calentamiento o enfriamiento interno"). Esto contribuye con la uniformidad en el procesamiento del material polimérico, una óptima homogeneidad de la masa fundida y una reducción en el consumo de energía de hasta 15 %. Esta posibilidad disminuye el desgaste corrosivo y ayuda con un precalentamiento eficiente de compuestos formulados con un alto porcentaje de cargas³. Las velocidades de rotación moderadas reducen el desgaste de husillos y cilindros, sin embargo, es necesario un estudio detallado de la capacidad instalada de motor de la máquina, y si existe una relación correcta entre el torque disponible y la longitud de la extrusora (L/D).

De otro lado, la geometría del husillo(s) es relevante y no se puede erróneamente concluir que extrusoras cortas consumen menos energía, eso dependerá estrictamente del diseño particular. A manera de ejemplo, se muestra en la siguiente figura una comparación energética de dos tipos de extrusoras doble husillo con longitudes L/D= 26 y L/D= 36, [2]. En esta comparación particular, se observa un consumo energético específico (CEE, kWh/kg) menor en la extrusora de L/D= 36.

Las condiciones de procesamiento, tales como, flujo másico, perfil de temperaturas, velocidad de rotación, contrapresión, desgasificación, dosificación, entre otras, pueden inducir a mayores niveles de desgaste. El desgaste generado por condiciones de procesamiento es de naturaleza uniforme en todas las superficies metálicas y no focalizado como sería el corrosivo.

Materiales para husillos y herramentales

Con la tendencia de extrusoras y unidades de plastificación de alto desempeño (i.e. alta productividad), los recubrimientos de los filetes de los husillos son absolutamente necesarios. De otro lado, está también la posibilidad del uso de aceros con procesos como la nitruración, la pulvometalurgia, entre otros.

La Figura 4 presenta un comparativo con las posibles combinaciones para el conjunto husillo- cilindro considerando los tipos de aceros y sus tratamientos⁴.

A continuación describiremos dos de los recubrimientos para filetes de husillos que se constituyen en el estado del arte:

• Depósito de polvo- plasma por soldadura (PTA) con base en molibdeno
• Depósito por tecnología de soldadura (PTA) con base en carburo de tungsteno (WC)

En el primer caso el recubrimiento está constituido por una aleación de molibdeno, níquel y hierro, MoNiFe con un contenido de hasta  50 % de molibdeno. Esta moderna tecnología de soldadura lleva a un incremento considerable en la vida útil del husillo, y se eliminan prácticamente los daños menores o fallas localizadas. Un husillo con este tipo de recubrimiento se puede usar conjunto con un cilindro de acero con alto contenido de níquel para constituir un buen par tribológico (régimen de fricción óptimo). La superficie interna del cilindro sería nitrurada. La nitruración se realiza hasta una profundidad de 0.5 mm.

Se han detectado casos de desgaste prematuro con la tecnología basada en recubrimientos de molibdeno cuando se ha confirmado desgaste corrosivo que depende de la formulación del polímero.

En el segundo caso el recubrimiento de carburo de tungsteno ha sido muy conocido y usado durante muchos años, y está constituido por una matriz de níquel, cromo, boro y silicio, NiCrBSi, con un contenido de hasta 70% de WC. Su par tribológico sería un cilindro con base en NiCrSi con una dureza interna entre 58 y 66 Rockwell (HRC). Esta última combinación ha sido muy utilizada para aplicaciones que requieren una muy alta resistencia al desgaste como la extrusión de perfiles de madera plástica (WPC: wood plastic compound). La vida útil que se logra con esta tecnología basada en WC está entre 6.000 y 20.000 horas para WPC y entre 12.000 y 18.000 para formulaciones de PVC.

Conclusiones

Finalmente, existen en el mercado un gran número de proveedores internacionales de husillos, cilindros y herramentales para el procesamiento de polímeros, con una gran variabilidad de precios, y es necesario indagar sobre la tecnología de manufactura que utilizan para elegir la opción más adecuada acorde con el proceso, material polimérico y parámetros de operación.

En la última Feria K 2013 realizada en Düsseldorf, Alemania, fue posible conocer las tecnologías de proveedores como Reiloy Metall, Helix, Theysohn, Wafo Schnecken und Zylinder, XTrutech, ETA Kunststofftechnologie, KraussMaffei Berstorff, ABC Direct, Bernex Bimetall, Euroviti, Xaloy, Talleres Pena, entre otros. El catálogo físico y virtual de la feria posee todas las direcciones de contacto de los proveedores en este campo, así como sus sitios de internet⁵.

Artículo proveniente de la revista impresa con el código TP2901_EXTRUSIÓN.