Soporte en voladizo para bomba sumergida en agua salobre: ¿aluminio, acero inoxidable o poliamida?
Un taller de Lorca fabrica soportes para bombas sumergidas que trabajan en balsas con concentraciones de cloruros superiores a 500 mg/L. El soporte es una viga en voladizo de 150 mm, empotrada en la bancada y cargada con 800 N en su extremo libre, aplicados de forma permanente. La sección es rectangular con h = 2b y el extremo no puede flechar más de 1,5 mm. Se exige un coeficiente de seguridad de 2 sobre el límite elástico. Se evalúan tres candidatos: aluminio 6061-T6 (E = 69 GPa, σy = 276 MPa, ρ = 2700 kg/m³), acero inoxidable AISI 304 (E = 193 GPa, σy = 215 MPa, ρ = 8000 kg/m³) y PA66-GF30 (E = 9 GPa, σy = 150 MPa, ρ = 1400 kg/m³). El cliente exige además que la pieza se pueda atornillar con tornillos M8 de acero inoxidable sin riesgo de corrosión galvánica y que no se deforme con el tiempo bajo carga continua. El plazo de entrega es de seis semanas.
1. Calcula para cada material la anchura b y la altura h mínimas que cumplen a la vez el criterio de resistencia y el de rigidez, y la masa resultante. Indica qué criterio gobierna en cada caso y razona qué material elegirías.
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Datos comunes: M = F·L = 800 × 0,15 = 120 N·m. Con h = 2b: I = b·h³/12 = 2b⁴/3 y c = h/2 = b.
Criterio de resistencia (σadm = σy/2), con σ = M·c/I = 3M/(2b³): b ≥ (3M/(2σadm))^(1/3) = (180/σadm)^(1/3) en unidades SI.
Criterio de rigidez: δ = F·L³/(3EI) ≤ 1,5 mm → I ≥ F·L³/(3Eδ) = 2,7/(0,0045·E) = 600/E; y como I = 2b⁴/3 → b ≥ (1,5·I)^(1/4).
| Material | b por resistencia | δ con esa b | Criterio que gobierna | b × h final | Masa |
|---|---|---|---|---|---|
| 6061-T6 | 10,9 mm | 1,37 mm (< 1,5) | Resistencia | 10,9 × 21,9 mm | ≈ 97 g |
| AISI 304 | 11,9 mm | 0,35 mm | Resistencia | 11,9 × 23,8 mm | ≈ 339 g |
| PA66-GF30 | 13,4 mm | 4,7 mm (> 1,5) | Rigidez | 17,8 × 35,6 mm | ≈ 133 g |
El acero cumple de sobra en flecha pero pesa 3,5 veces más. La poliamida necesita una sección muy voluminosa porque su módulo es 7,7 veces menor y, además, absorbería agua y fluiría por fluencia bajo una carga permanente.
Elección: 6061-T6. Es el más ligero, cumple ambos criterios con solo un 13 % de reserva en flecha (conviene redondear a 12 × 24 mm) y es mecanizable. El AISI 304 queda como alternativa si el cliente prioriza rigidez y vida a fatiga, asumiendo el sobrepeso y el riesgo de picadura por cloruros.
2. El cliente propone atornillar directamente el soporte de aluminio con tornillos AISI 316 sin aislamiento. Analiza el riesgo y propone tres medidas concretas de diseño o de proceso.
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Riesgo: aluminio y AISI 316 están separados unas 0,8 V en la serie galvánica; en agua con cloruros el aluminio actúa de ánodo y se corroe. La relación de áreas es muy desfavorable: el cátodo (tornillo) es pequeño pero el ánodo (taladro y cara de apoyo) queda confinado en una grieta donde el oxígeno no se renueva, lo que acelera la picadura y la corrosión bajo tensión. Los productos de corrosión del aluminio ocupan más volumen, levantan la brida y aflojan el par de apriete; el fallo aparece como grietas alrededor del taladro, no como un adelgazamiento uniforme.
Medidas:
- Aislamiento eléctrico de la unión: arandela y casquillo pasante de PA66 o PTFE, arandela de acero inoxidable encima, y montaje con llave dinamométrica para no agrietar el aislante.
- Recubrimiento del ánodo: anodizado duro de 25 µm con sellado, o imprimación epoxi en las caras de contacto; el recubrimiento debe llegar al interior del taladro, que es donde se concentra la celda.
- Diseño frente al electrolito: sellar la unión con masilla neutra, evitar bolsas donde quede agua estancada y prever un orificio de drenaje; si el riesgo se considera alto, cambiar el tornillo a una aleación compatible (A4 con arandela aislante) o fabricar todo el soporte en la misma familia de material.
No basta con elegir un acero «más inoxidable»: el par galvánico depende del electrolito y de la geometría, no solo de la resistencia del cátodo.
3. Llega un lote sin certificado de tratamiento térmico. Describe dos ensayos para verificar que realmente es 6061-T6 y explica sus limitaciones.
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1. Dureza Brinell (UNE-EN ISO 6506-1), huella HBW 2,5/62,5. Un 6061-T6 está típicamente en 90-100 HB; un 6061-O baja a ~30 HB y un T4 a ~65 HB, así que la diferencia es clara. Es rápido, portátil y no destructivo en zonas no funcionales. Limitación: la correlación dureza-resistencia es empírica y dispersa (±10 %), mide solo la superficie (puede estar fría o decapada) y no detecta un temple irregular en el núcleo de piezas gruesas.
2. Ensayo de tracción sobre una probeta testigo del mismo lote (UNE-EN ISO 6892-1). Da directamente Rp0,2 ≈ 240-276 MPa, Rm ≈ 290-310 MPa y alargamiento A ≥ 8-10 % para T6. Es el ensayo de referencia y el único que confirma la combinación resistencia-ductilidad. Limitación: destructivo, requiere mecanizar probeta y prensa; si la pieza es pequeña hay que sacrificar una unidad.
Complemento útil: conductividad eléctrica por corrientes inducidas, muy sensible al estado de precipitación del temple, y verificación del marcado de temple según UNE-EN 573-3. Antes de aceptar el lote conviene además comprobar que la colada indicada en el albarán coincide con la marcada en el material: un certificado de otra colada es un error frecuente y caro.