01/10/2019 | 12 MINUTOS DE LECTURA

Recubrimientos CEN para la industria de energía eólica

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La capacidad de adaptar los recubrimientos CEN con una variedad de partículas sinérgicas hace que estos recubrimientos sean especialmente útiles para ciertas aplicaciones en la industria de la energía eólica.

Los recubrimientos pueden ser de utilidad y, en muchas aplicaciones, son esenciales para un adecuado rendimiento, protección, mayor vida útil y muchas otras cualidades del producto. Por lo tanto, es vital seleccionar el recubrimiento adecuado para cada aplicación. Elegir el recubrimiento correcto para los componentes utilizados en la industria de la energía eólica es especialmente difícil porque esas piezas vienen en una gran variedad de formas, tamaños y metales básicos, y pueden utilizarse en una gama igualmente excepcional de climas, requisitos y condiciones de uso.

Una categoría de recubrimientos que puede mejorar muchas aplicaciones en la industria eólica es el niquelado compuesto autocatalítico (composite electroless nickel o CEN, en inglés). El níquel autocatalítico (EN) es un proceso químico sofisticado y confiable con muchas características inherentes que son adecuadas para aplicaciones en la industria eólica, las cuales incluyen: dureza, resistencia a la corrosión y perfecta conformidad incluso con las geometrías más complejas. Los compuestos se forman con la adición de partículas superfinas en el EN. Estas partículas pueden proporcionar dureza, resistencia al desgaste, baja fricción, liberación, transferencia de calor, alta fricción e incluso propiedades de identificación y autenticación.

Este artículo analiza todas las variedades de EN compuesto (CEN) que aprovechan las sinergias entre EN y partículas para mejorar de forma notable las características existentes e inclusive agregar propiedades completamente nuevas. Esto hace que los recubrimientos CEN sean especialmente adecuados para aplicaciones en la industria eólica a fin de:

  1. Cumplir las condiciones de uso cada vez más exigentes que requieren menos desgaste, menor fricción y transferencia de calor.
  2. Facilitar el uso de nuevos materiales de sustrato, como titanio, aluminio, aleaciones de acero de bajo costo, cerámicas y plásticos.
  3. Permitir una mayor productividad del equipo con mayores velocidades y menor desgaste, menores esfuerzos de mantenimiento y menos tiempo de inactividad.
  4. Reemplazar los recubrimientos ambientalmente problemáticos, como el cromo galvanizado.

Como se muestra en la Imagen 1, los recubrimientos CEN mantendrán naturalmente sus propiedades y rendimiento incluso cuando algunas partes del recubrimiento se puedan desgastar o remover durante el uso. Esta característica resulta de la uniformidad en que las partículas se dispersan por toda la capa recubierta. Las partículas de unos pocos nanómetros hasta aproximadamente 50 micras de tamaño se pueden incorporar en los recubrimientos desde unas pocas micras hasta muchas milésimas de pulgada (0.001 pulgada) de espesor. Las partículas pueden comprender aproximadamente del 10 al 40 por ciento en volumen del recubrimiento, dependiendo del tamaño de partícula y la aplicación.

Resistencia al desgaste

Los recubrimientos diseñados para ofrecer mayor resistencia al desgaste han demostrado ser los CEN más utilizados en la industria eólica hasta la fecha. Es posible usar partículas de muchos materiales duros como el diamante, carburo de silicio, óxido de aluminio, carburo de tungsteno y carburo de boro. No obstante, la dureza insuperable del diamante ha hecho de este material el compuesto más común. A pesar del nombre que suena caro, el CEN con diamante es en realidad comparable al costo de recubrimientos similares, sin embargo, sus ventajas de rendimiento son mucho mayores. Estos recubrimientos también son inherentemente buenos con el medio ambiente, pues hacen que las piezas duren más, reduciendo así la chatarra y, a menudo, ahorrando energía.

La prueba de abrasión Taber es el método más común para evaluar la resistencia al desgaste de diferentes materiales y recubrimientos. Evalúa la resistencia de las superficies al roce abrasivo producido por la rotación deslizante de dos ruedas abrasivas sin lubricar contra una muestra giratoria. Esta prueba mide el peso o volumen desgastado.

Por supuesto, los resultados de prueba más prácticos y relevantes que las pruebas estandarizadas son los beneficios de rendimiento en la vida real experimentados en aplicaciones para la industria eólica. En ese punto, los recubrimientos CEN tienen la capacidad de hacer que los componentes de alto desgaste duren significativamente más y, por lo tanto, reducen la necesidad y la frecuencia de mantenimiento o reemplazo. Para un rodamiento, rotor, engranaje, carcasa y muchos otros componentes del sistema eólico instalados en lugares muy inconvenientes en todo tipo de entornos en tierra y mar adentro, la capacidad de extender su vida es de un enorme valor.

Transferencia de calor y baja fricción

El diamante no solo es el material más duro conocido, también es el mejor conductor de calor. Por fortuna para los componentes de energía eólica (donde conviene extraer calor del componente), la incorporación de diamante en un recubrimiento CEN también puede ofrecer este beneficio. Buenos ejemplos de ello son los componentes eléctricos, disipadores de calor y cualquier componente que funcione en atmósferas delgadas donde la transferencia de calor esté limitada. Al probar la comparación de aluminio con EN, CEN con diamante y CEN con partículas de carburo, el CEN con diamante produjo un aumento de 20 por ciento en la transferencia de calor sobre el aluminio.

Se pueden incorporar ciertas partículas en EN para producir un recubrimiento con todas las propiedades de EN, así como un bajo coeficiente de fricción. Aunque estos recubrimientos compuestos también brindan beneficios de resistencia al desgaste, se consideran en una categoría separada en función de las características únicas que incorporan: lubricación en seco, propiedades de liberación mejoradas y repelencia a los contaminantes como agua y aceite.

Los recubrimientos compuestos con partículas lubricantes tienen por lo general un espesor de 6-25 micras (0.00025” a 0.001”), más delgados que los recubrimientos típicamente diseñados para resistir al desgaste. El interés comercial en los recubrimientos lubricantes compuestos se ha centrado en incorporar partículas de politetrafluoroetileno (PTFE) submicrónico de teflón en los depósitos de EN. Las propiedades del PTFE son ampliamente reconocidas tanto en las aplicaciones industriales como en los sartenes.

Pero, al igual que con las partículas resistentes al desgaste, hay una variedad de partículas de baja fricción que producen propiedades autolubricantes cuando se depositan junto con la EN. Otros materiales distintos al PTFE se han vuelto cada vez más populares en el campo del revestimiento, especialmente con cerámicas especiales. El PTFE es orgánico y se descompone a temperaturas superiores a 250°C. Por el contrario, muchos materiales lubricantes cerámicos son más duros y soportan temperaturas más altas que el PTFE. Como el PTFE es un material muy blando, su inclusión en EN hace que el recubrimiento compuesto sea relativamente más suave, en particular a medida que aumenta el porcentaje de PTFE. Una mayor resistencia a la temperatura permite mayores temperaturas en el tratamiento térmico y posterior al enchapado que generan una mayor dureza de la matriz EN.

Estos factores hacen que los recubrimientos de lubricantes cerámicos compuestos sean más duros y más resistentes al desgaste que el PTFE-EN en muchas condiciones.

La Tabla 1 muestra los coeficientes de fricción para una variedad de recubrimientos bajo diferentes condiciones de carga. El nitruro de boro (BN) es uno de esos materiales inorgánicos con propiedades lubricantes. Tiene la capacidad de soportar temperaturas de hasta 3.000°C dependiendo de la atmósfera; y, como se demuestra en la Tabla 1, el EN compuesto con nitruro de boro tiene un coeficiente de fricción menor que el EN-PTFE compuesto en condiciones de carga más altas. Para los componentes altamente exigentes de la industria eólica, la capacidad de aplicar CEN más gruesos y duros con materiales como BN es muy ventajosa tanto para el rendimiento como para la confiabilidad del servicio.

Alta fricción e indicaciones

Si bien muchos componentes móviles en los equipos de energía eólica requieren baja fricción, otros se benefician de superficies deliberadamente texturizadas para permitir la fricción o el agarre entre las superficies de contacto. Un ejemplo son los ensambles con componentes adyacentes donde uno se engancha con el otro y transfiere movimiento o impacto al otro. En estas aplicaciones, una superficie ligeramente texturizada puede mejorar esta interacción. Los recubrimientos CEN con una variedad de carburos, óxidos, diamantes y otras partículas pueden proporcionar esta superficie texturizada, como se muestra en la Imagen 2 (donde tales partículas pueden verse sobresaliendo de la superficie del recubrimiento CEN). Para tales aplicaciones, las partículas tienen un tamaño de entre 10 a aproximadamente 75 micras, que es significativamente más grande que los recubrimientos lisos utilizados principalmente para la resistencia al desgaste, los cuales usan partículas de menos de 10 micras de tamaño.

Las cuatro secciones siguientes muestran una variedad de recubrimientos sinérgicos con valiosas propiedades de identificación y autenticación para obtener beneficios únicos en aplicaciones de la industria eólica.

Fosforescencia: Un método para crear recubrimientos para la autenticación es incorporar partículas con propiedades emisoras de luz en los recubrimientos EN. Estos novedosos recubrimientos se ven como EN normal bajo iluminación tradicional (sol, incandescente, fluorescente y más), pero bajo una luz ultravioleta (UV), estos recubrimientos emiten un brillo distintivo de colores brillantes. Una persona solo necesita iluminar las partes con una luz ultravioleta manual que funciona con batería para mostrar la emisión de luz de un recubrimiento compuesto de EN y, por lo tanto, confirmar la autenticidad de las partes. Como hay varios materiales que fluorescen bajo la luz ultravioleta, es posible producir una variedad de recubrimientos EN que emitan un brillo de color diferente cuando una fuente de luz ultravioleta brilla sobre el recubrimiento. Esta variedad de revestimiento también puede usarse debajo de un revestimiento funcional como CEN para demostrar el desgaste y evitar daños en la parte misma. Con una capa delgada de un revestimiento emisor de luz entre el sustrato y el revestimiento funcional, un operador puede inspeccionar periódicamente la parte con una luz ultravioleta portátil, a menudo mientras la parte sigue en uso. Una vez que se observa la luz de color, se sabe que el recubrimiento funcional se ha desgastado. La parte puede recubrirse y reutilizarse antes de que se produzca daño en el sustrato en la parte misma y antes de que se produzca un producto inferior. En la industria eólica, esta característica puede ser de gran valor para permitir la inspección de un componente sin el costo de eliminar las piezas y el tiempo de inactividad.

Marcadores forenses: Si bien los recubrimientos compuestos fosforescentes EN son una tecnología útil para muchas aplicaciones, otras tienen una necesidad mayor de autenticación encubierta. Esto se puede lograr con el uso de ciertos marcadores forenses, que son una familia de materiales que se han desarrollado utilizando sustancias únicas y que pueden detectarse mediante un medidor electrónico. La prueba es no invasiva, instantánea y repetible infinitamente. Estos materiales son químicamente inertes, seguros y suficientemente fuertes para persistir en casi cualquier condición, incluido un baño de recubrimiento EN y un tratamiento térmico. Para que sus propiedades sean evidentes para el medidor electrónico, solo deben depositarse pequeñas cantidades de los materiales a base de cerámica junto al recubrimiento EN. Por lo tanto, la ligera presencia del material en el recubrimiento no es visible fácilmente y no afecta esencialmente el rendimiento del recubrimiento en otros aspectos, tales como resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y fricción. Hay docenas de dichos materiales que se pueden usar solos o en combinación para crear un sistema único de marcado o seguimiento que se puede incrustar en casi cualquier material o recubrimiento —desde pinturas y pintura en polvo hasta CEN. Esto crea muchas nuevas oportunidades para la gestión de productos, el proceso de fabricación y el control logístico, la gestión de inventario, el aseguramiento de la calidad, y el control y autenticación de la contaminación, todas las cuales se requieren en el mercado global de sistemas eólicos.

Activación de sonido: Se ha desarrollado también una variedad de tecnología de recubrimiento de autenticación que, de forma sorprendente, le permite al recubrimiento activar un pequeño detector que produce un informe audible. Esta tecnología innovadora es similar al uso de marcadores forenses porque solo se necesita incorporar una pequeña cantidad de materiales especializados en el recubrimiento para activar la respuesta del detector. La prueba es instantánea y genera una clara indicación de aprobación o falla. El detector es pequeño y funciona con batería por economía y conveniencia, lo que puede ser vital para los técnicos de mantenimiento y otros profesionales de la energía eólica.

Microtaggants: Esta variedad de tecnología de recubrimiento ofrece una cuarta forma de autenticación del producto simplemente mediante la inspección de la superficie bajo aumento. Una clave para hacer que este recubrimiento sea útil en la autenticación y la protección del producto es que los microtaggants se fabrican mediante un proceso complejo y patentado. La capacidad de personalizar los microtaggants significa que su diseño puede modificarse continuamente para frustrar a los falsificadores o incorporar información de identificación y seguimiento del producto directamente en la superficie del producto dentro de un recubrimiento duro y duradero.

Soluciones EN compuestas multicapa

Capa base: Cuando se necesita un grado de resistencia a la corrosión por encima del nivel ya provisto por un recubrimiento CEN (como suele suceder en los equipos de energía eólica), es habitual aplicar una capa inferior a una parte antes de recubrirla con un CEN. Esta capa inferior suele ser una aleación de EN con alto contenido de fósforo. Esto provee una capa de barrera para la corrosión y la capa funcional externa seguirá siendo el CEN para el desempeño de la parte.

Doble recubrimiento: Este procedimiento se usa a menudo para revestimientos compuestos resistentes al desgaste. Los compuestos que contienen partículas (como se discutió anteriormente) son suaves al tacto y suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Cuando se pretende que el recubrimiento entre en contacto con ciertos materiales delicados, estas partículas sobresalientes pueden ser perjudiciales o requerir un periodo de uso para alisar la superficie. Un periodo de adaptación es un lujo que la mayoría de las aplicaciones en equipos de energía eólica no pueden permitirse. Por lo tanto, en lugar de emplear medios mecánicos para alisar la superficie y operar una pieza recubierta durante un periodo de rodaje menos productivo, se puede aplicar una capa superior. Para un recubrimiento CEN, una capa de recubrimiento de cerca de 5 micras de EN convencional es suficiente para cubrir la superficie compuesta y proporcionar una superficie nueva y más lisa.

Los requisitos de desempeño de los componentes usados en la industria de energía eólica son excepcionalmente diversos. Van desde resistencia al desgaste, baja fricción, alta fricción, transferencia de calor y autenticación hasta identificación. Por todo ello, la capacidad de adaptar los recubrimientos CEN con una variedad de partículas sinérgicas hace que estos recubrimientos sean especialmente buenos para aplicaciones en la industria de la energía eólica.

 

Michael Feldstein es presidente de Surface Technology. Visite SurfaceTechnology.com. Este artículo fue publicado originalmente en la revista Wind Systems y es usado con permiso. Visite windsystemsmag.com.

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