Fallos de válvulas de escape de motor de combustión interna

Fallos de válvulas de escape de motor de combustión interna
Se nos presentó la problemática del fallo de válvulas de escape de un motor de combustión
interna correspondientes a una aeronave utilizada para tareas de fumigación, las cuales
presentaron fallo luego de un tiempo reducido en servicio, del orden de 400 hs siendo el
tiempo de vida útil esperado del orden de 1200 hs.
Se procedió a estudiar una muestra con fallo y otra sin uso.
El análisis químico de las válvulas mostro que las mismas fueron construidas de aleaciones NiCr (80% de Ni, 20% de Cr), siendo estas aleaciones empleadas usualmente para elaboración
de elementos resistentes al calor.
La fotografía n°1 muestra una válvula de escape con falla y una válvula del mismo tipo sin uso.
Fotografía nº 1
Se procedió a realizar diferentes observaciones a las muestras, pudiendo apreciarse varias
indicaciones y características.
Inicialmente, la observación visual revelo que la válvula de escape con falla presenta un perfil
de asiento de válvula diferente al que muestra la válvula de escape de motor sin uso. Se
observó una abundante oxidación de coloración rojiza en la cara de combustión y en la
superficie del anillo de asiento circular. Así mismo se observó aparente pérdida de material y
oxidación en la zona del asiento de válvula.
muestra válvula de escape de motor con falla
muestra válvula de escape de motor sin uso
Las observaciones laparoscópicas han permitido detectar en la superficie del anillo de asiento
circular, a partir del borde definido con la superficie de la cara de combustión, la existencia de
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numerosas marcaciones radiales , que han progresado definiendo surcos o probablemente
fisuras en el material del asiento de válvula.
Las observaciones microscópicas realizadas de un modo comparativo entre las muestras
válvula sin uso y válvula con fallo permitieron apreciar que ambas presentan básicamente
características estructurales similares: una zona de núcleo de válvula de estructura solución
solida con granos equiaxiales del tipo dúplex, notándose al desplazar la observación hacia la
zona de asiento de válvula, primeramente una franja de material afectado térmicamente, con un
crecimiento en su tamaño de grano seguida por una estructura de características diferentes,
procedente de material aportado en condición de fundido con una distribución de solidificación
en ramas, aparentemente del tipo Stellite para conferirle presumiblemente una mayor
resistencia a la temperatura, oxidación y desgaste.
En las siguientes micrografías pueden observarse detalles de las zonas observadas.
a
b
c
Muestra sin uso: fotomicrografía a) estructura del núcleo del disco de válvula – x100 aumentos. Fotomicrografía b)
zona de cara de combustión. Fotomicrografía c) zona de asiento de válvula.
Las observaciones de la válvula de escape con falla han permitido apreciar un menor espesor
de material de aporte. Así también, se ha observado en la zona de cara de combustión una
modificación del tamaño de grano, y la existencia de una delgada capa superficial en el
material cuya procedencia presumiblemente resulte debida a una perdida superficial de
aleación debido a la acción de las altas temperaturas, continuándose la misma en la superficie
del material en zona de asiento.
Así mismo se observan, desde estas superficies, incipientes inicios de rotura o avances de
fisuración paralelos entre si y deformación plástica del material de la zona.
En las siguientes micrografías pueden observarse detalles de las zonas observadas.
d
e
g
h
f
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Muestra con falla: fotomicrografía d) estructura del núcleo del disco de válvula – x100 aumentos. Fotomicrografía e)
zona de cara de combustión. Fotomicrografía f) próximo a asiento de válvula. g) zona de asiento de válvula –
material aportado. h) zona de asiento de válvula
Conclusiones:
Dentro de las modalidades de rotura que pueden afectar a las válvulas, entendemos que las
características halladas se corresponden a un mecanismo de fallo por fatiga térmica de las
mismas.
Las marcaciones radiales detectadas en la muestra válvula de escape con falla, producidas
desde el borde del asiento han debido conformar verdaderos canales de salida de los gases
procedentes del interior de combustión conduciendo a la consecuente oxidación, perdida de
aleación y erosión progresivas.
Las siguientes consideraciones generales pueden contribuir a un entendimiento del
proceso generado:
La modalidad cíclica de trabajo producida en las aperturas y cierres de las válvulas afecta al
elemento en su zona de asiento con una variación cíclica de la temperatura de trabajo. La
tensión térmica surge de una acción de enfriamiento que resulta del asiento de la cara de
válvula sobre la cabeza de cilindro.
Por ejemplo, la bibliografía consultada al respecto, menciona la diferencia de temperaturas
actuantes sobre estos elementos, indicando una temperatura de funcionamiento de la cabeza
de la válvula que puede variar desde unos 705 a 760 ºC, pero la temperatura de la cara de la
válvula resulta de hasta 650ºC al ser enfriada por el contacto con el cilindro refrigerado.
El gradiente de temperatura produce tensiones en la cara de la válvula de accionamiento.
Como la válvula alternativamente se abre y se cierra, la calefacción y refrigeración cíclica
conduce a la iniciación y propagación de fisuras.
Con ciclo continuo, la propagación de la fisura conduce eventualmente a fugas de gas. En
última instancia, la fuga de gas eleva la temperatura en la zona de grieta de 1925ºC - la
temperatura de combustión. Entonces la oxidación y la erosión progresan a un ritmo acelerado
y el fallo se detecta como resultado de una pérdida de compresión.
Atendiendo a lo expuesto, podría considerarse un incremento en la vida útil de la
válvula mediante la reducción de tensiones térmicas, incrementando la vida a la fatiga
del material, disminuyendo el gradiente de temperatura o rango de diferencia de
temperaturas entre asiento y cilindro , verificando el coeficiente de expansión térmica
del material aportado en asiento o mediante la selección de materiales de la válvula con
una mayor ductilidad dinámica, que aumentaría el número de ciclos de servicio al fallo.
Área Estudios Aplicados a Materiales Metálicos. Ing. S. Oltolina –Ing. D. Gazquez
– DAT – Dependiente del Ministerio de la Producción de Santa Fe
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