En 2025, el sector de la fabricación industrial se enfrenta a un desafío sin precedentes en cuanto a materias primas.
Debido a los efectos combinados de las restricciones de producción para la protección del medio ambiente, el endurecimiento de las cuotas de extracción (se espera que las cuotas de mineral de tungsteno disminuyan aproximadamente un 6,45% en 2025 en comparación con el año anterior) y el crecimiento de la demanda de sectores como la energía fotovoltaica y la industria militar, el precio del concentrado de tungsteno ha aumentado casi un 80% este año, alcanzando un nuevo máximo en la última década. Mientras tanto, las restricciones a la exportación de productos relacionados con el tungsteno se han vuelto más estrictas, lo que ejerce presión sobre las empresas que dependen del acero de tungsteno (aleación dura) para la fabricación de herramientas, piezas resistentes al desgaste y moldes, ya que se enfrentan a problemas tanto de costes como de suministro.
En este contexto de continuas subidas de precios del acero de tungsteno y creciente incertidumbre en el suministro, encontrar materiales alternativos maduros y fiables para el acero de tungsteno se ha convertido en un tema ineludible para las empresas manufactureras.
Como proveedor de materiales y componentes con más de una década de experiencia en el campo de la cerámica avanzada, Innovacera considera que no se trata simplemente de una sustitución de materiales, sino de una actualización tecnológica de materiales metálicos a materiales inorgánicos no metálicos de alto rendimiento.
1. ¿Por qué la cerámica avanzada se está convirtiendo en una alternativa importante al acero de tungsteno?
Durante mucho tiempo, el acero de tungsteno se ha utilizado ampliamente en condiciones de trabajo de alto mantenimiento y alta carga debido a su alta microdureza y cierta tenacidad a la fractura. Sin embargo, a mayores velocidades de rotación, temperaturas más altas y condiciones químicas más exigentes, sus limitaciones se hicieron gradualmente evidentes. La cerámica avanzada, como el nitruro de silicio (Si3N4), el carburo de silicio (SiC) y la cerámica de óxido de alta resistencia, está sustituyendo al acero de tungsteno en diversos escenarios de aplicación. (1) Un salto revolucionario en dureza y vida útil
El acero de tungsteno ha mantenido durante mucho tiempo una posición dominante en el mercado de materiales resistentes al desgaste debido a su alta microdureza (HV) y cierta tenacidad a la fractura. En escenarios de alto desgaste, como el émbolo de la bomba de lodos y la boquilla de chorro de arena, la vida útil de las cerámicas avanzadas suele ser de 3 a 10 veces mayor que la del acero de tungsteno.
Implicaciones de la aplicación: Aunque el precio unitario de las cerámicas es ligeramente superior, desde la perspectiva del coste total de propiedad (TCO), si se reduce el número de paradas por mantenimiento en un 80%, el coste total no solo compensa el aumento de precio, sino que incluso disminuye en más de un 30%.
(2) Superando el cuello de botella de los materiales causado por la falla del acero de tungsteno a altas temperaturas
El rendimiento a altas temperaturas del acero de tungsteno (WC-Co) está limitado por su fase de aglutinante de cobalto. Tiende a ablandarse y fallar cuando la temperatura supera aproximadamente los 800 °C. En cambio, los materiales cerámicos no dependen de fases de unión metálicas y exhiben una mayor estabilidad en condiciones de alta temperatura. Sin embargo, la resistencia a la temperatura varía según el sistema. Tomemos como ejemplo las cerámicas de nitruro de aluminio. Son más adecuadas para aplicaciones de conducción térmica y encapsulado electrónico. La temperatura de funcionamiento a largo plazo en una atmósfera oxidante, como el aire, generalmente debe controlarse entre 800 y 1000 °C; más allá de este rango, la oxidación superficial acelerará la degradación del rendimiento. Existe riesgo de falla por oxidación a aproximadamente 1200 °C, lo que se puede mitigar mediante recubrimientos o protección atmosférica. Para aplicaciones que implican temperaturas más altas, el nitruro de silicio y el carburo de silicio ofrecen mayores ventajas.
Ventajas en la práctica: Ante condiciones exigentes como el corte en seco a alta velocidad y el procesamiento de semiconductores a alta temperatura, las cerámicas avanzadas se han convertido en uno de los pocos materiales que pueden operar de forma estable a largo plazo, y han reemplazado continuamente las soluciones de acero de tungsteno en aplicaciones prácticas.
(3) La reducción del consumo de energía resultante de la reducción de peso
La densidad del acero de tungsteno es de aproximadamente 15,7 g/cm³, lo que significa que tiene una masa relativamente alta. Tomando como ejemplo la cerámica de nitruro de silicio, su densidad es de aproximadamente 3,2 g/cm³, y su peso es solo alrededor de una quinta parte del del acero de tungsteno.
Valor técnico: En condiciones de rotación a alta velocidad o de arranque y parada de alta frecuencia, como las que se presentan en componentes como las bolas de rodamientos, los rotores de turbinas y los actuadores finales de brazos robóticos, los materiales cerámicos pueden reducir significativamente la fuerza centrífuga y la inercia rotacional, mejorando así la velocidad de respuesta del sistema y la eficiencia energética general.
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