ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA REGIÓN POZA RICA-TUXPAN "ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA” TESINA PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTAN: JORGE LEÓN ARISTA BERNAL JONATHAN GARCÍA BÁEZ POZA RICA, VER. 2014 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA INDICE INTRODUCCIÓN............................................................................................................................. 4 CAPITULO I ..................................................................................................................................... 6 1.1 Justificacion ................................................................................................................................. 7 1.2 Naturaleza, sentido y alcance de trabajo ...................................................................................... 8 1.3 Enunciación del tema ................................................................................................................... 9 1.4 Explicación de la estructura del trabajo ..................................................................................... 10 CAPITULO II.................................................................................................................................. 12 2.1 Desarrollo del tema .................................................................................................................... 13 2.2 Planteamiento del tema de la investigación ............................................................................... 13 2.3 Marco contextual........................................................................................................................ 14 2.4 Marco teórico ............................................................................................................................. 15 2.4.1 Cojinetes de bielas de motor de combustión interna .............................................................. 15 2.4.1.1 Antecedentes de uso de cojinetes (metales) de biela ......................................................... 15 2.4.1.2 Funcionamiento de una biela en un motor de combustión interna ..................................... 16 2.4.1.3 Partes de una biela ............................................................................................................. 21 2.4.1.4 Tipos de bielas ................................................................................................................... 22 2.4.1.5 Fallas comunes en cojinetes de bielas ................................................................................ 23 2.4.1.6 Materiales usados para la manufactura de cojinetes de bielas ........................................... 26 2.4.2 Caracterización de los metales de biela ................................................................................. 28 2.4.2.1 Circunstancias del desgaste causado en metales de biela .................................................. 30 2.4.2.2Raíz de la causa de desgaste ............................................................................................... 30 2.4.2.3 Desarrollo experimental ..................................................................................................... 32 2.4.2.4 Examinación visual ............................................................................................................ 32 2.4.2.5 Análisis de Dureza ............................................................................................................. 34 2.4.2.6 Análisis de la huella de desgaste ........................................................................................ 38 2.4.3 Análisis del desgaste producido en metales de biela.............................................................. 42 2.4.3.1 Estudios previos sobre el desgaste en metales de biela...................................................... 42 2.4.3.2 Espectroscopía de Rayos X de Energía Dispersa (EDS).................................................... 45 2.4.3.3 Descripción de los mecanismos de desgaste usando Microscopía Electrónica de Barrido (SEM).. 50 2.4.3.4 Recomendaciones para reducir el desgaste en metales de biela......................................... 58 2.4.3.5 Análisis crítico de los diferentes enfoques ......................................................................... 61 CAPITULO III ................................................................................................................................ 62 3.1 Conclusiones .............................................................................................................................. 63 3.2 Bibliografía ................................................................................................................................ 64 Glosario……………………………………………………………………………………………..66 FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 2 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA INDICE DE IMÁGENES Fig. 1. Motor de combustión interna de 4 tiempos Fig. 2. Cojinetes de biela Fig. 3.Cojinete dentro de un motor Fig. 4. Lubricidad de la capa de plomo-estaño Fig. 5. Capas de un cojinete Fig. 6. Transmisión de calor a la biela y al bloque Fig. 7. Partículas extrañas incrustadas o atrapadas en la capa de plomo-estaño Fig. 8. Partículas incrustadas en la capa de plomo-estaño Fig. 9. Resistencia a la fatiga Fig. 10. Partes de una biela de motor de combustión interna Fig. 11. Tipos de bielas Fig. 12. Desgaste de la capa de estaño de un cojinete Fig. 13. Magnificación del daño en la superficie del cojinete Fig. 14. Desgaste en cojinetes de biela y bancada Fig. 15. Pérdida de fragmentos pequeños de la capa Fig. 16. Desprendimiento de la capa de plomo-estaño por fatiga Fig. 17. Exposición de la unión de cobre y la capa de aluminio Fig. 18. Desgaste abrasivo anormal, fino y rápido Fig. 19. Estructura de un cojinete de biela o de cigüeñal Fig. 20. Cigüeñal desarmado Fig. 21. Bielas examinadas para caracterización Fig. 22. Zonas principales de daño en los cojinetes de biela Fig. 23. Desgaste severo en cojinetes Fig. 24. Sección transversal de un cojinete nuevo Fig. 25. Comparación de durezas en diferentes secciones del cojinete Fig. 26. Comparación del Módulo de Young en diferentes secciones del cojinete Fig. 27. Huellas de dureza con penetrador piramidal Fig. 28. PerfilómetroContourMeasuringInstrument CV-500 Fig. 29. Perfiles de cojinetes de menor daño Fig. 30. Perfiles de cojinetes de mayor desgaste Fig. 31. Microscopio Electrónico de Barrido Fig. 32. EDS análisis químico de la capa que contacta con el muñón Fig. 33. EDS análisis químico de la zona dañada del cojinete Fig. 34. Cojinete nuevo (sin desgaste) Fig. 35. Desgaste provocado por fatiga Fig. 36. Desgaste provocado por fatiga (ampliación) Fig. 37. Otras zonas de daño del cojinete Fig. 38. Superficies de los cojinetes con mayor desgaste Fig. 39. Fotografías de las superficies del cojinete con menor desgaste FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4 5 16 18 18 19 19 20 20 21 22 23 23 24 24 25 25 26 27 29 30 32 33 34 35 36 38 39 40 42 45 46 48 50 51 52 52 54 57 Página 3 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA INTRODUCCIÓN Se denomina biela a un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la máquina. En un motor de combustión interna conectan el pistón al cigüeñal. Básicamente, la biela consiste en una barra rígida diseñada para establecer uniones articuladas en sus extremos. Permite la unión de dos operadores transformando el movimiento rotativo de uno (manivela, cigüeñal) en el movimiento alternativo del otro (émbolo, pistón) o viceversa. Su sección transversal o perfil puede tener forma de H,I o +. El material del que están hechas es de una aleación de acero, titanio o aluminio. En la industria automotor todas son producidas por forjamiento, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante mecanizado. La biela se emplea en multitud de máquinas que precisan de la conversión entre movimiento giratorio continuo y lineal alternativo. Ejemplos claros de algunas máquinas donde se emplean son máquina de vapor, motores de combustión interna, máquinas movidas mediante el pie, bombas de agua, etc. Los principales esfuerzos que sufre la biela son de flexión compuesta en el momento de la carga máxima al explotar la mezcla de combustible (expansión del ciclo) (3er tiempo en la figura 1), la compresión estaría dada por la componente de la fuerza sobre el eje longitudinal de la biela, y la flexión por la componente transversal a la misma, y lo mismo con el par reactivo proporcionado por la carga a través del cigüeñal al oponerse al movimiento [1]. Además la biela sufre un esfuerzo de compresión nuevamente en la etapa de compresión de la mezcla. Fig. 1. Motor de combustión interna de 4 tiempos. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 4 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Debido a esto, dos puntos son críticos, ocurren en diferentes etapas del ciclo mecánico, el primero de ellos se aprecia durante la compresión, este tiene lugar en la parte media de la biela, el segundo punto crítico se ubica en la parte inferior de la biela y ocurre durante la expansión del ciclo. Los tornillos, por su parte, soportan solo un pequeño porcentaje de la carga. En este trabajo se presenta un análisis del desgaste que se produce en los metales de biela (ver figura 2, [2]) debido a los esfuerzos a los que está sometida la misma, y al contacto directo con las muñequillas del cigüeñal. Esto lleva a tener fallas debido al contacto metal con metal por rozamiento y deslizamiento. Metales de biela Posición de los metales de biela Fig. 2. Cojinetes (metales) de biela [2]. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 5 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA CAPITULO I FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 6 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 1.1 JUSTIFICACION Este trabajo está relacionado con el desgaste que ocurre en los cojinetes (metales) de biela en motores de combustión interna. El principal motivo para realizar esta investigación radica en las fallas comunes en las bielas, sobre todo cuando se tiene una biela torcida donde el mayor desgaste se genera en los cojinetes superior e inferior que sujetan las muñequillas (muñones) del cigüeñal. Tres factores pueden contribuir a la falla de la biela, condiciones de funcionamiento severas, tales como aceleraciones intempestivas o acarreo de peso excesivo, instalación incorrecta de la biela, dejar caer o maltratar la biela antes de su montaje y por supuesto fallas de fabricación. Debido a esto, surge la necesidad de realizar un trabajo como este, donde el objetivo principal es analizar el desgaste que se genera en estos elementos mecánicos y tener un mayor conocimiento de las causas que lo provocan. Esto ayudará a mostrar a los alumnos evidencia del daño real que día a día es posible observar en un componente o pieza mecánica en la industria o en procesos cotidianos, a causa de este problema. Razón de lo anterior se justifica la realización de esta tesina teniéndose como principal objetivo el desarrollo de un documento informativo para toda persona interesada en este tema. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 7 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO En este trabajo, se describe el desgaste que se produce en los cojinetes (metales) de biela en motores de combustión interna. Se presentan antecedentes del uso de los cojinetes (metales) de biela, su funcionamiento, las partes que componen a los diferentes tipos de biela y se presentan una descripción de las fallas comunes en estos componentes mecánicos. El sentido del trabajo es conocer el comportamiento y el desempeño de los cojinetes (metales) de biela, además de presentar una descripción de la forma de cómo estos elementos mecánicos fallan durante el servicio real. Se conocerá la morfología de estos elementos mecánicos, estos serán llevadosa un microscopio electrónico de barrido (SEM) para identificar además los mecanismos de desgaste y procesos de daño involucrados, se realizarán pruebas de dureza (HV) y de rugosidad de la superficie. Esto con el objetivo de caracterizar completamente el elemento mecánico y los mecanismos de falla que se presentan comúnmente durante su servicio. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 8 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 1.3 ENUNCIACIÓN DEL TEMA El desgaste en los cojinetes (metales) de biela en motores de combustión internaes un problema que se presenta diariamente en la industria automotriz y en nuestros automóviles. Debido a esto, es importante realizar estudios y/o análisis de falla para conocer el comportamiento de los cojinetes (metales) de biela ante condiciones naturales de deterioro (desgaste). Una caracterización tribológica de estos componentes será llevada a cabo para conocer su composición química, dureza, rugosidad y los mecanismos de desgaste que son habituales en estos elementos mecánicos. Se conocerán las circunstancias que llevaron a causar el daño en los cojinetes, se indicará el tiempo de vida aproximado que tuvieron estos durante su servicio real y se tratará de indicar cuál fue la raíz de la causa de los mecanismos de falla en estos componentes. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 9 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO Debido ala gran importancia que representa el desgaste en los cojinetes (metales) de biela en motores de combustión interna, ésta investigación se basa en el estudio de estos elementos mecánicos. Este trabajo está dividido, en tres capítulos conformados de la siguiente manera: En el Capítulo I, se da una justificación del porqué se realiza este trabajo, además de la naturaleza, sentido y alcance del trabajo, la enunciación del tema y una explicación clara y precisa de la estructura del trabajo. El capítulo II, se divide principalmente de tres subtemas que son básicamente la parte más importante de esta tesina. En el primer subtema, se presentan antecedentes del uso de cojinetes (metales) de biela, donde se presentarán los objetivos de su diseño y manufactura, además de explicar los beneficios que tienen estos para reducir el desgaste debido al contacto de la biela con los muñones del cigüeñal. Adicionalmente, se dará una descripción del funcionamiento de una biela en un motor de combustión interna. Se detallarán las partes principales de una biela, y su importancia. Se indicarán los diferentes tipos de biela que existen en el mercado y sus principales características. Además, se describirán las fallas comunes en bielas debido a los esfuerzos de tensión, compresión y flexión a los que son sometidas durante el proceso de combustión, lo que lleva a desgastar de manera severa los cojinetes de la biela que están unidos a los muñones del cigüeñal. Finalmente, se indicaran los materiales con los que son fabricados, generalmente son materiales antifricción, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, cobre y aleaciones de magnesio. Se presentará una descripción detallada de cada uno de estos. En lo que respecta al subtema 2, debido a que los metales han sido donados para analizar las formas de su daño, se pretende llevar a cabo un estudio muy completo sobre estos elementos mecánicos. En este subtema, se explicarán las circunstancias de como el desgaste es causado en los metales de biela, se dará una descripción del tipo de biela que se está FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 10 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA analizando, se menciona el tiempo de vida, es decir su duración aproximada en el servicio real y se explicará lo más posible la raíz de la causa del desgaste. Además, se tiene contemplado como parte del análisis, caracterizar los metales de biela, primeramente realizar una inspección visual, tomar fotografías de metales sin desgaste y de los que han sido severamente dañados enfocándose en las zonas desgastadas después del servicio real, esto permitirá hacer una descripción de los posibles mecanismos de desgaste. Como parte de la caracterización de los cojinetes de biela, se pretende llevar a cabo mediciones de dureza empleando un durómetro para dureza Vickers (HV), un análisis de rugosidad será realizado también, sobre la superficie de los diferentes metales de biela que fueron donados, esto podría ser en la superficie de un metal nuevo y en las superficies desgastadas para estudiar cómo se modifican las superficies después del daño intenso, esto será llevado a cabo a través del uso de un microscopio de fuerza atómica. Finalmente en el subtema 3, se da una introducción sobre estudios previamente realizados, relacionados al desgaste producido en metales de bielas de motores de combustión interna. Adicionalmente, se llevará a cabo un análisis para identificar los mecanismos de degaste que se presentan en estos componentes mecánicos. Para llevar a cabo esto, se empleará un microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) para obtener las fotografías de las huellas de desgaste y así poder dar un diagnóstico del daño generado sobre las superficies y con ayuda de gente dedicada al uso de este tipo de elementos mecánicos, poder sugerir posibles recomendaciones para reducir los efectos asociados al daño de metales de bielas. Algunas de las recomendaciones que han sido sugeridas por gente que cuenta con experiencia en mecánica automotriz son inspeccionar la biela antes de ser empleada, esto por posibles defectos de fabricación que en ocasiones no son tan notorios, comprobar que las superficies de los muñones del cigüeñal tengan la rugosidad adecuada para evitar la aceleración del desgaste por el contacto directo con los metales de la biela. Se pretende hacer una investigación más profunda para poder dar recomendaciones que puedan llevar a reducir el desgaste de estos elementos mecánicos. En el capítulo III, se presentan las conclusiones y proposiciones de trabajos futuros que podrían sugerirse para completar este trabajo. Esperando que esto resulte de gran interés y de gran utilidad para todas aquellas personas involucradas en esta problemática. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 11 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA CAPITULO II FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 12 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.1DESARROLLO DEL TEMA 2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMADE LA INVESTIGACIÓN La investigación de este tema está enfocado en el análisis del desgate generado en los cojinetes (metales) de biela en motores de combustión interna. El desempeño de estos componentes mecánicosestá íntimamente ligado con el funcionamiento correcto del motor de combustión interna de un automóvil, por lo que la mayoría de las veces la magnitud de los daños ocurridos en el uso es causado por el mal uso o deterioro debido a las condiciones internas del mismo motor. El deterioro de cojinetes de biela, puede tener varias causas, como las condiciones climatológicas, el uso, el mantenimiento que se les da, la composición de los materiales que la conforman, y la dureza de esos materiales. En este trabajo se presenta un análisis de las fallas que se presentan en estos componentes mecánicos y se dan algunas recomendaciones para lograr reducir el daño y ampliar su tiempo de servicio real. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 13 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.3 MARCO CONTEXTUAL El trabajo de investigación, con formato de tesina, se llevará a cabo en la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana en la región Poza RicaTuxpan. La donación de algunos cojinetes (metales) de biela de motores de combustión interna que estuvieron en servicio, serán producto de análisis para conocer como es provocado el daño en sus superficies. Es importante mencionar que se cuenta con nueva bibliografía especializada en temas de desgaste lo que dará la posibilidad de realizar un trabajo mucho más completo, además se cuenta con la capacidad y tiempo necesario para poder realizar la investigación pertinente para ampliar el conocimiento que se tiene acerca del desgaste observado en estos componentes. Es importante mencionar que bibliografía de la biblioteca virtual de la Universidad Veracruzana, además de otras instituciones como el Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Nacional Autónoma de México, así como libros y artículos de revistas internacionales especializadas en el tema, serán consultadas para alcanzar un documento de alta calidad informativa. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 14 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4 MARCO TEÓRICO 2.4.1 COJINETES DE BIELAS DE MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.1.1 ANTECEDENTES DE USO DE COJINETES (METALES) DE BIELA En un motor de pistón alternativo, la barra de conexión o biela conecta el pistón a la manivela o cigüeñal. Junto con la manivela, que forman un mecanismo simple que convierte el movimiento lineal en movimiento de rotación. Las bielas pueden convertir movimiento giratorio en movimiento lineal. Históricamente, antes del desarrollo de motores, fueron utilizados por primera vez en esta forma [3]. Como una varilla de conexión es rígida, puede transmitir ya sea un empuje o un estirón, por lo que la varilla puede girar la manivela, es decir pistón empujando y tirando del pistón. Mecanismos anteriores, tales como cadenas, sólo podían tirar. En algunos motores de dos tiempos, la barra de conexión sólo se requiere para empujar. Hoy en día, las bielas son mejor conocidas por su uso en motores de combustión interna de émbolo, tales como motores de los automóviles. Estas son de un diseño claramente diferente de las formas anteriores de varillas de conexión, que se utilizan en los motores de vapor y las locomotoras de vapor. Historia La evidencia más temprana de una barra de conexión aparece en el último tercio del periodo Romano Hierápolis, donde la manivela y el mecanismo de biela de molinos de agua romanos convierten el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra. En algún momento entre 1174 y 1206, el inventor e ingeniero árabe Al-Yazari describe una máquina que incorpora la biela con cigüeñal para bombear el agua como parte de un equipo elevador de agua, pero el dispositivo era innecesariamente complejo, lo que indica que todavía no comprendía totalmente el concepto de conversión de energía. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 15 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En la Italia del Renacimiento, las primeras evidencias de una, aunque mal entendido mecánicamente, eje de torsión y biela se encuentra en los cuadernos de bocetos de Taccola. Una buena comprensión del concepto se muestra por el pintor Pisanelloque exhibió un pistón-bomba conducido por un molino de agua y es operado por dos bielas sencillas. En el siglo 16, la evidencia de cigüeñales y bielas en los tratados tecnológicos y obras de arte de la Europa renacentista se torna abundante. 2.4.1.2 FUNCIONAMIENTO DE COJINETES DE BIELA EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA El cojinete es un elemento mecánico que facilita el movimiento circular (rotación) de un componente de motor o transmisión sobre otro componente estático. Estos elementos usados comúnmente en los motores como lo mostrado en figura 3, son de gran utilidad en su funcionamiento [4]. Fig. 3. Cojinete dentro de un motor. Para aprovechar el efecto de fricción fluida, los cojinetes se fabrican para que exista una película de aceite de unas milésimas de pulgada entre la superficie de apoyo y la pieza móvil. Esta película de aceite es continua, así la pieza al girar lo hace sobre la película reduciendo la fricción y por lo tanto el desgaste. En la realidad, dado que las cargas, FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 16 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA velocidades, lubricación; no son constantes, el aceite no evita que ambas superficies lleguen a friccionarse entre sí del todo [4]. Los cojinetes de cigüeñal, biela y árbol de levas deben tener las siguientes propiedades: Compatibilidad. Es la habilidad de un material para poder deslizarse contra otro sin que se provoque un desgaste significativo, bajo condiciones de velocidad, carga y lubricación. Soporte de carga. La habilidad para girar de un material mientras el cojinete esté bajo una carga extrema. Conformabilidad. Es la propiedad del cojinete de ser “suave” para poder contrarrestar las desigualdades de los cigüeñales o de las bielas y así uniformizar la distribución de carga. Absorción o Incrustabilidad. Permite que el cojinete sea capaz de absorber cualquier partícula extraña o impureza suspendida en el aceite lubricante, como son rebabas que se incrustan en el cojinete y así previenen el daño que se pudiera tener. Otras propiedades. El material debe tener una relación de temperatura-resistencia alta. Lo cual es un indicador de una buena conductividad térmica. Se requiere que cumpla con esto debido a que el ambiente en que trabajan los cojinetes es de altas temperaturas generalmente. El material no debe tener constituyentes duros en la aleación que por si mismos puedan rayar o raspar otros elementos los cuales son de vital importancia para el sistema. El material no debe corroerse con los compuestos orgánicos del lubricante, ya que está siempre trabajando dentro de este [4]. En otros trabajos técnicos que se realizan en compañías como CAT [5] se menciona que los cojinetes de bielas y los cojinetes de bancada tienen cinco funciones específicas: 1. Suministran una superficie de resbalamiento durante el arranque y cuando la película del lubricante es fina. 2. Transmiten el calor de la superficie al agujero de biela o del bloque. 3. Suministran una superficie de desgaste blanda para absorber los residuos y para que el cojinete se adapte mejor al perfil del muñón del cigüeñal. 4. Proveen la resistencia necesaria para la fatiga o las cargas. 5. Proveen superficies de desgaste reemplazables en alojamientos del bloque y de la biela. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 17 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA La primera función de los cojinetes es lubricidad, es decir, la capacidad de autoprotegerse y proteger los muñones del cigüeñal durante el arranque y cuando ha quedado solamente poco aceite entre cigüeñal y cojinetes. Dado que la superficie del cojinete es blanda y resbaladiza, los muñones duros del cigüeñal se deslizan fácilmente, reduciendo al mínimo la generación de calor. En la figura 4, las condiciones de la superficie han sido exageradas para ilustrar mejor. Fig. 4. Lubricidad de la capa de plomo-estaño. En la figura 5, se presenta una fotografía con una lupa de 400 aumentos de la capa de plomo y estaño de un cojinete nuevo. El metal de color claro en la parte inferior es aluminio, encima del aluminio hay una capa muy delgada de cobre. La capa siguiente es de plomo y estaño. El color negro es material de fondo alrededor del cojinete. Capa de plomo y estaño Capa de cobre Capa de aluminio Fig. 5. Capas de un cojinete. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 18 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Durante el arranque, el calor que se genera por fricción se transmite por conducción a la biela y al bloque, a través del cojinete. Esta pieza está, por lo tanto, diseñada y fabricada para transmitir muy bien el calor (ver figura 6). A esta función la denominamos conductividad térmica. Fig.6. Transmisión de calor a la biela y al bloque. Hay siempre basura en los sistemas de lubricación que se saca con buenos filtros de aceite. Cuando el motor arranca o cuando el intervalo de cambio de aceite es demasiado largo, las partículas pueden desviarse de los filtros. Al entrar en los cojinetes, las partículas quedan atrapadas en la capa de plomo y estaño que las excluye del sistema (ver figura 7). Esta función del cojinete se denomina “capacidad de absorción”. La capa blanda de plomo y estaño también se mueve con la carga hasta que la superficie del cojinete “encaja” con más exactitud en el perfil del muñón del cigüeñal. Esta función se denomina “adaptabilidad”. Fig. 7. Partículas extrañas incrustadas o atrapadas en la capa de plomo-estaño. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 19 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En la figura 8, se presenta una fotografía de la sección transversal de un cojinete usado, obtenida con una lupa de 400 aumentos. Es posible observar que las partículas negras incrustadas en la capa de plomo y estaño se asemejan a piedras hundidas en barro. La capa de plomo y estaño absorbe las partículas, protegiendo el cojinete y el muñón del cigüeñal contra daño por abrasión. Partículas extrañan incrustadas Fig. 8. Partículas incrustadas en la capa de plomo y estaño. Durante el funcionamiento a plena carga, los cojinetes pueden tolerar unas 20.000 psi. A 1600 RPM cada cojinete puede sentir esta presión 800 veces por minuto: y esta carga cíclica severa puede continuar miles de horas. Cuando las capas del aceite atrapado son delgadas, como en el caso de velocidad en vacío o cuando se aplican cargas pesadas a un motor que funciona a bajas RPM, el cojinete soporta cargas aún más elevadas. Esta función se denomina “resistencia a la fatiga”. Fig. 9. Resistencia a la fatiga. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 20 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Después de miles de horas de funcionamiento, el desgaste normal quita parte del material blando de la superficie, reduciendo su capacidad de lubricación y de absorción. Los cojinetes son insertos que se pueden reemplazar cuando se desgastan para restablecer toda la capacidad del cojinete. Esta función se denomina “capacidad de reemplazo”. 2.4.1.3 PARTES DE UNA BIELA Como ya se ha mencionado, se denomina biela a un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la máquina [6]. En un motor de combustión interna conectan el pistón al cigüeñal. Se pueden distinguir tres partes en una biela (ver figura 10). La parte trasera de biela o pie en el eje del pistón, es la parte con el agujero de menor diámetro, y en la que se introduce el casquillo a presión, en el que luego se inserta el bulón, un cilindro o tubo metálico que une la biela con el pistón. Fig. 10. Partes de una biela de motor de combustión interna. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 21 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA El cuerpo de la biela es la parte central, está sometido a esfuerzos de traccióncompresión en su eje longitudinal, y suele estar aligerado, presentando por lo general una sección en forma de doble T, y en algunos casos de cruz. La cabeza es la parte con el agujero de mayor diámetro, y se suele componer de dos mitades, una solidaria al cuerpo y una segunda postiza denominada sombrerete, que se une a la primera mediante pernos. 2.4.1.4 TIPOS DE BIELAS En función de la forma de la cabeza de biela, y como se une a ella el sombrerete, se pueden distinguir dos tipos [7]: Biela enteriza: Es aquella cuya cabeza de biela no es desmontable, no existe el sombrerete como la observada en figura 11 [8]. En esos casos el conjunto cigüeñalbielas es indesmontable, o bien es desmontable porque el cigüeñal se desmonta en las muñequillas. Biela aligerada: Si el ángulo que forma el plano que divide las dos mitades de la cabeza de biela, no forma un ángulo recto con el plano medio de la biela, que pasa por los ejes de pie y cabeza, sino que forma un ángulo, entonces se dice que la biela es aligerada [9]. (a) Biela enteriza (b) Biela aligerada Fig. 11. Tipos de Bielas. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 22 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.1.5 FALLAS COMUNES EN COJINETES DE BIELA Cuando la aplicación, operación y mantenimiento son correctos, los cojinetes de bancada y de biela desarrollan patrones de desgaste que llamamos “normales”. El desgaste “normal” avanza por el baño de estaño a la capa de plomo estaño; va a la unión de cobre y a la capa de aluminio. El dorso del cojinete normalmente se oscurece con el tiempo en patrones irregulares.El baño de estaño es muy fino (milésimos de milímetro), por eso se desgasta en los puntos elevados del perfil. Después de desgastarse el baño de estaño, queda expuesta la capa de plomo y estaño, más oscura como lo observado en figura 12. Este cojinete, después de funcionar pocos kilómetros, tiene desgaste normal del baño de estaño. Fig. 12. Desgaste de la capa de estaño de un cojinete. Con una lupa podemos ver mejor los detalles del desgaste en la figura 13. Aquí vemos que el estaño se ha desgastado en las nervaduras que dejó el acabado de la capa de aluminio. Noten que el acabado de este cojinete es radial. Fig. 13. Magnificación del daño en la superficie del cojinete. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 23 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Cuando el motor ha funcionado muchas horas o muchos kilómetros, es posible que la capa de plomo y estaño se desgaste en zonas donde la carga es elevada o que se desprenda, como es posible observar en estos cojinetes de bancada que tienen unos 650.000 kilómetros de utilización en figura 14. Fig. 14. Desgaste en cojinetes de biela y de bancada. Algunos cojinetes pierden pedazos pequeños de la capa de plomo y estaño y de la unión de cobre, dejando expuesta la capa de aluminio (ver figura 15). Sin embargo, queda suficiente plomo y estaño para mantener la capacidad de lubricación y de absorción de basura. Fig. 15. Pérdida de fragmentos pequeños de la capa. Este cojinete perdió la capa de plomo y estaño y vemos que la pérdida es cada vez mayor (ver figura 16). Este es un tipo de fatiga de la capa de plomo y estaño causada por movimiento del plomo y estaño bajo pesada carga y es normal si el motor ha funcionado muchos kilómetros. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 24 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Fig. 16. Desprendimiento de la capa de plomo y estaño por fatiga. Después de miles de horas de uso la capa de plomo y estaño se puede desgastar completamente, exponiendo la unión de cobre y la capa de aluminio como lo observado en figura 17. La unión de cobre tendrá por lo general un color oscuro debido a oxidación, mientras que la capa de aluminio mantendrá su color claro. Los resultados no indicarán niveles altos de cobre a medida que la unión se desgasta porque ésta es muy fina. Fig. 17. Exposición de la unión de cobre y la capa de aluminio. Sólo cuando se produce un desgaste abrasivo anormal, fino y rápido, tendrá la capa de cobre el color original del metal como lo visto en la figura 18. Cuando el baño de estaño, la capa de plomo y estaño y la unión de cobre se han desgastado en las zonas de cargas elevadas con gran kilometraje, la capacidad de lubricación y de absorción de basura se reduce y hay que instalar cojinetes nuevos. Estos cojinetes de biela tienen muchos kilómetros de uso y el color y desgaste son normales. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 25 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Fig. 18. Desgaste abrasivo anormal, fino y rápido. 2.4.1.6 MATERIALES USADOS PARA LA MANUFACTURA DE BIELAS Para cumplir estas cinco funciones, el cojinete debe tener una estructura compuesta. Esta vista de un cojinete Caterpillar ayuda a comprender su estructura. Casi todo el cojinete es de acero, con una capa de aluminio, unión de cobre, de plomo y estaño y un baño muy delgado de estaño. Cada una de estas capas vistas en figura 19, ayuda al cojinete a cumplir una función. El refuerzo de acero es casi 90% del grosor del cojinete, le da la resistencia estructural necesaria para calzar en su alojamiento, es el sostén de la capa de aluminio que soporta las cargas y conduce el calor con rapidez del aluminio al alojamiento. La capa de aluminio es casi 10% del grosor del cojinete, es suficientemente blanda para proveer buena capacidad de absorción, pero fuerte y durable bajo pesadas cargas cíclicas. También conduce bien el calor y lo transfiere de la superficie del cojinete al refuerzo de acero. La unión de cobre tiene un grosor aproximado de un diezmilésimo de pulgada, provee buena adherencia entre la capa de aluminio y la de plomo y estaño, transfiere el calor con rapidez de la segunda capa a la primera y ofrece una superficie de desgaste blanda, cuando la capa de plomo y estaño se desgasta. La capa de plomo y estaño tiene un grosor aproximado de un milésimo de pulgada (o sea la mitad del grosor de una hoja de papel); es muy blanda y tiene buena capacidad de lubricación, de absorción y adaptabilidad. El baño de estaño es apenas de unos millonésimos de pulgada, protege contra la corrosión y da buena apariencia. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 26 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Fig. 19. Estructura de un cojinete de biela o de cigüeñal. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 27 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.2 CARACTERIZACIÓN DE LOS COJINETES (METALES) DE BIELA Para llevar a cabo la caracterización de los metales de bielafue necesario extraerlos de un motor de un automóvil marca Tsuru de la compañía Nissan debido al ajuste que se realizó al mismo. Los cojinetes tuvieron un tiempo de vida aproximado de 8 años. En la figura 20a y b, se presenta el cigüeñal desarmado. Por otra parte en la figura 21a y b, se muestran las bielas y los cojinetes que fueron removidos para poder examinarlos. (a) Foto del cigüeñal completo FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 28 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (b) Ampliación de los muñones del cigüeñal Fig. 20. Cigüeñal desarmado. (a) Bielas examinadas FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 29 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (b) Cojinetes de biela desgastados Fig. 21. Bielas examinadas para caracterización. 2.4.2.1 CIRCUNSTANCIAS DEL DESGASTE CAUSADO EN METALES DE BIELA 2.4.2.2 RAÍZ DE LA CAUSA DE DESGASTE Cuando se intenta encontrar las circunstancias que llevaron a tener fallas en los cojinetes, no se olvida la posibilidad de que los cojinetes mismos podrían ser la causa original. Sin embargo, es importante recordar que aún con problemas de calidad, los cojinetes duran por lo general la mitad de su vida útil y no se rompen al poco tiempo de estar en servicio. La mayoría de las fallas de cojinetes se deben a los siguientes aspectos: Montaje incorrecto Cargas severas Temperaturas extremas Condiciones inadecuadas Falta de lubricante FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 30 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Por lo general, no se es lo suficientemente meticuloso para recopilar hechos y se culpa al cojinete sin ninguna razón. Se deben buscar hechos e indicios para identificar la causa del problema y dejar que esos factores indiquen si fue el cojinete mismo o el ambiente hostil lo que originó la falla. Esto podría llevar a la raíz del problema del desgaste. Junto con los aspectos que se mencionaron se pueden indicar los siguientes: Pérdida de lubricidad, es decir si la capa de plomo y estaño (metal babbit), que normalmente es la capa más superficial, es desprendida por la combinación de los aspectos mencionados arriba, como sucedió en algunos de los cojinetes que se están analizando en este trabajo, entonces las partículas extrañas, contaminantes provenientes de un intervalo de cambio de aceite demasiado largo o por fallo en los filtros, ya no son incrustadas(atrapadas) en la capa de plomo y estaño (metal babbit), sino que empiezan a actuar directamente en la capa de cobre y posteriormente actúan sobre la capa de aluminio llegando hasta la capa de acero, la cual no tiene la capacidad para atrapar estas partículas lo que lleva a desgaste severo del cojinete y del muñon del cigüeñal. En algunos de los cojinetes analizados en esta investigación es posible ver un arrancamiento excesivo debido a la fatiga de las capas de estaño y plomo y de las capas intermedias (cobre y aluminio) lo que llevo a zonas de color oscuro las cuales representan un daño por oxidación debido al contacto de impurezas de aceite, partículas extrañas producidas por el mismo desgaste por deslizamiento primero y después por abrasión excesiva y por el contacto directo con el acero, el cual tiende a corroerse de manera rápida. Si todo esto ocurre en el momento del trabajo, si la capa de plomo y estaño se desprende entonces las temperaturas no controladas por fricción, por el solo contacto de las superficies tendrán cabida, lo que llevará a acelerar el fallo del cojinete. Por supuesto, procesos de desgaste tales como erosión por cavitación, por impacto, por fatiga tienen relación directa con el daño provocado en las superficies de los cojinetes de biela. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 31 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.2.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 2.4.2.4 EXAMINACIÓN VISUAL Para continuar con la caracterización se cortaron pequeños segmentos de los cojinetes de biela que son observados en figuras22 y 23, de alrededor de 1 cm2, de diferentes zonas para poder realizar las mediciones de dureza, rugosidad, el análisis químico de los materiales que componen a estos componentes mecánicos y por supuesto para poder identificar los mecanismos de desgaste. En la figura22 semuestranlas zonas de daño de los metales de biela que fueron ligeramente afectadas por el contacto con los muñones del cigüeñal. Es asumido que este caso en particular, la capa de plomo y estaño no fue desprendida totalmente y el cojinete solo sufrió un desgaste normal debido a la fricción, la carga aplicada, la velocidad de contacto, la temperatura de contacto y por desgaste abrasivo fino por pequeñas partículas extrañas que podrían ser del mismo aceite o basura que quedo insertada. Zonas de daño Fig. 22. Zonas principales de daño en los cojinetes de biela. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 32 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Por otra parte, el desgaste producido en estos cojinetes es muy intenso, en el cojinete de la izquierda incluso es posible observar que la capa de plomo y estaño fue arrancada totalmente en la parte central y un color oscuro es claramente observado, lo cual es por el desgaste por oxidación que ocurrió en la capa de acero que es la capa base del cojinete. El cojinete de la derecha también exhibe un desgaste pronunciado aunque en este caso la capa de cobre, de color rojizo-anaranjado, es observada en la superficie en figura 23. Aquí, es posible identificar algunos de los mecanismos de desgaste como falla por deslizamiento, por cargas altas, además de fatiga debido al constante contacto con partículas extrañas, la alta temperatura, y el tiempo de servicio. Capa de plomoestaño arrancada Capa de cobre se mantiene en cojinete Fig. 23. Desgaste severo en cojinetes. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 33 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.2.5ANÁLISIS DE DUREZA Se llevaron a cabo pruebas de dureza usando un durómetro NanoindentationTester (TTXNHT, CSM Instruments). Diez datos de dureza de tres diferentes zonas de la sección transversal del cojinete fueron calculados para cada sección y un valor promedio fue obtenido. Las secciones que fueron analizadas son mostradas en figura 24. La carga aplicada fue de 100 mN, la velocidad de carga y descarga de 200 mN/min y la duración de la medición de 10 seg. En adición, el Módulo de Young de las tres diferentes zonas del cojinete fue calculado. Los resultados de microdurezason presentados en la Tabla 1 y en la figura 25, el valor más alto corresponde a la capa externa de acero que es la que hace contacto directo con el cuerpo de la biela, por supuesto debe tener buena conformabilidad para adaptarse al alojamiento que le da la biela. Es asumido que la dureza no es tan alta para darle ductilidad al material y lograr que se asiente de manera adecuada en la biela. En lo que respecta a la dureza de la parte central, los valores son muy cercanos a los de la capa externa aunque esto podría ser debido a que se emplean aleaciones de cobre o de aluminio lo que lleva a incrementar la dureza. Por supuesto, en el caso de la capa interna que es la que tiene un valor de dureza más bajo esto corresponde a la capa de metal babbit (plomoestaño) que hace contacto directo con los muñones del cigüeñal. Parte central Capa de cobre Parte externa Capa de acero Parte interna Capa de plomo y estaño Fig. 24. Sección transversal de un cojinete nuevo. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 34 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Tabla 1. Dureza Vickers (HV) del cojinete. Centro Externa Interna HV HV HV Dato 1 185.81 205.73 21.97 Dato 2 183.06 197.77 24.04 Dato 3 206.70 198.20 23.24 Dato 4 194.98 194.88 20.99 Dato 5 185.43 191.35 20.80 Dato 6 197.91 201.87 21.79 Dato 7 205.11 187.87 21.54 Dato 8 182.22 196.14 23.11 Dato 9 194.09 193.59 20.85 Dato 10 194.35 198.68 20.56 Valor promedio Desviación Estándar 192.97 196.61 21.89 8.75 5.11 1.20 Numero de mediciones HV Centro HV Capa externa HV Capa interna 250.00 Hardness Vickers 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Número de mediciones Fig. 25. Comparación de durezas en diferentes secciones del cojinete. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 35 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Los resultados del módulo de Young o Módulo de elasticidad son mostrados en la Tabla 2 y en la figura 26. Las figuras 27a-c muestran las huellas del penetrador piramidal sobre la superficie del cojinete en cada una de las zonas examinadas. Tabla 2. Módulo de Young del cojinete. Módulo de Young (GPa) Número de mediciones Centro Externa Interna Dato 1 209.84 215.01 37.52 Dato 2 202.23 209.48 40.16 Dato 3 216.86 210.02 36.89 Dato 4 212.31 204.58 35.96 Dato 5 206.44 220.62 36.50 Dato 6 211.42 218.43 38.50 Dato 7 217.73 193.15 38.64 Dato 8 202.74 210.06 36.58 Dato 9 210.09 219.77 37.74 Dato 10 205.96 210.79 38.19 Valor promedio 209.56 211.19 37.67 Desviación Estándar 5.32 8.19 1.26 Gpa Centro Gpa Capa Externa Gpa Capa interna Módulo de Young (GPa) 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Número de mediciones Fig. 26. Comparación del Módulo de Young en diferentes secciones del cojinete. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 36 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Huella piramidal (a) Huella de dureza en el centro (b) Huella de dureza en la capa externa FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 37 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (c) Huella de dureza en la capa interna (plomo-estaño) Fig. 27. Huellas de dureza con penetrador piramidal. 2.4.2.6 ANÁLISIS DE HUELLAS DE DESGASTE Para llevar a cabo el análisis de rugosidad en diferentes zonas de desgaste de los cojinetes de biela fue necesario usar un rugosimetro (perfilómetro) ContourMeasuringInstrument CV-500 que se encuentra en el Laboratorio del Grupo de Tribología del IPN en la Unidad Zacatenco. En las fotografías se presenta el rugosimetro. Aquí, es posible observar la base donde es colocada la pieza de trabajo, la punta que se desliza sobre la superficie, por medio de esto es posible obtener los resultados finales, de rugosidad o profundidad, según sea el caso. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 38 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (a) Microscopio (b) Viga catilever sosteniendo la punta Fig. 28. PerfilómetroContourMeasuringInstrument CV-500. Los perfiles de los cojinetes de biela después de ser desgastados durante el servicio real son presentados en las figuras 29 y 30, respectivamente. Lo que se puede observar en las fotografías es como la superficie de la zona dañada cambia de manera consistente mostrando zonas de mayor profundidad debido a la mayor intensidad de desgaste. Se analizó la parte central porque se observó que tuvo mayor desgaste. Zona de análisis (a) Zona de análisis de rugosidad FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 39 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 8 6 Profundidad (µm) 4 2 0 -2 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 14000 16000 18000 -4 -6 -8 -10 -12 -14 Distancia (µm) (b) Perfil de la zona desgastada 10 8 Profundidad (µm) 6 4 2 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -2 -4 -6 -8 Distancia (µm) (c) Perfil de otra zona de daño Fig. 29. Perfiles de cojinetes de menor daño. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 40 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Zona de análisis (a) Zona de análisis de rugosidad 20 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Profundidad (µm) -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 Distancia (µm) (b) Perfil de la zona desgastada FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 41 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 20 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Profundidad (µm) -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 Distancia (µm) (c) Perfil de otra zona de daño Fig. 30. Perfiles de cojinetes de mayordesgaste. 2.4.3 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN METALES DE BIELA 2.4.3.1 ESTUDIOS PREVIOS SOBRE EL DESGASTE EN METALES DE BIELA En estudios que se han realizado previamente sobre el comportamiento de cojinetes de biela o cojinetes de cigüeñal, se han mencionado mecanismos de desgaste que son identificados en las superficies de contacto con los muñones del cigüeñal y además se han propuesto nuevos materiales para la reducción del desgaste en los cojinetes. En un estudio realizado en Turquía por MustafaNursoy, et al. [10] se mencionó la posibilidad de contar con un nuevo material para usarlo en los cojinetes del cigüeñal. Se explicó que podría ser una buena alternativa, ya que este material ha sido mejorado y su comportamiento contra el desgaste se estudió experimentalmente. Como es sabido, los cojinetes del cigüeñal están sometidos a esfuerzos muy intensos. En este trabajo, un nuevo material fue diseñado con composición de Pb-Sn-Cu-ZrO2 y manufacturado por la técnica de proyección térmica HVOF (High VelocityOxygen Fuel). El comportamiento de este material fue probado bajo FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 42 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA condiciones de servicio real y los resultados fueron comparados con los obtenidos con un material usado para cojinetes convencional. Después de un tiempo de prueba de 500 hrs, las pérdidas de peso fueron calculadas. Micrografías de microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) de ambos, material convencional y nuevo material fueron examinadas. Los resultados mostraron que el material nuevo propuesto tuvo una mayor resistencia al desgaste, lo cual resulto interesante y prominente. En otros estudios sobre el desgaste en cojientes de biela se presenta una descripción de los procesos de desgaste involucrados, a continuación se indican. Erosión por fatiga La palabra “erosión” se deriva del latín “rodene”, que significa roer o desgastar gradualmente. La pérdida de material debido al fenómeno de erosión es dependiente de factores interrelacionados que incluyen las propiedades y la estructura de los materiales erosionados, las condiciones del medio y las propiedades físicas y de la partícula abrasiva [11, 12]. El desgaste por erosión es producido por un chorro de partículas abrasivas. Se define como el proceso de eliminación de metal provocado por la incidencia de partículas sólidas sobre una superficie. El grado de desgaste tiene relación con el ángulo de incidencia de la partícula respecto a la superficie. Los materiales dúctiles parecen deformarse y posiblemente se endurezcan cuando se les golpea en forma perpendicular, pero a un ángulo crítico de aproximadamente 30°, el metal se elimina por una acción de corte [13]. Este tipo de desgaste, se puede observar en toberas de motores, en álabes de turbinas de gas, en tubos de escape y otros. Las primeras teorías de este tipo de desgaste se basaron en asumir la acción cortante de partículas al impactar sobre la superficie desgastada. Grietas debido a Fatiga (Fatigue cracks) Lamayor inspección incluyeun chequeo profundode los álabesdel compresor.El propósito principal deesta comprobaciónes descubrirlas grietas en estos componentes mecánicosque han FIME sidocausados por fatiga debido a vibración. UNIVERSIDAD VERACRUZANA Este procedimiento ayuda Página 43 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA aprotegercontrafallas por fatigaen servicio a los álabes, lo que provocaría paradasno programadas. Las grietas por fatiga son relativamente extrañas y cuando estas ocurren es debido a alguna influencia externa, la cual ha agravado la mala condición del álabe o dado alguna excitación extraordinaria. Estas influencias pueden incluir picado por corrosión de la superficie del álabe (corrosivepitting), vibración del rotor, materiales de baja resistencia, discrepancias aerodinámicas del compresor y algunas otras. Cualquier álabe que contenga grietas por fatiga requerirá ser retirado del disco unido al rotor para ser reemplazado. Corrosión Avería, picaduras y deterioro gradual del metal debido a un ataque químico. Usualmente ocurre debido a un tratamiento protector de la superficie inadecuado, desgaste. La mayor de las veces ocurre en ambientes con altas concentraciones atmosféricas de sales, sodio y azufre. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 44 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.3.2 ESPECTROSCOPIA DE RAYOS X DE ENERGÍA DISPERSA, (ENERGY DISPERSIVE X-RAY SPECTROSCOPY) (EDS) El análisis químico fue llevado a cabo empleando un microscopio electrónico de Barrido (SEM) modelo FE SEM JEOL JSM-7600F que puede alcanzar magnificaciones de 25X a 1,000,000X (ver figura 31). El análisis químico de la capa del cojinete de biela que hace contacto directo con el muñón sin ningún tipo de daño,es mostrado en la figura 32. (a) Microscopio electrónico (c) Porta-espécimen dentro de la cámara de vacío Fig. 31. Microscopio electrónico de barrido (SEM). FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 45 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (a) Imagen de SEM de la capa que hace contacto con el muñón (b) Análisis químico de la capa de plomo (Pb) y estaño (Sn) Fig. 32. EDS análisis químico de la capa que contacta con el muñón. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 46 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En la Tabla 3, se presenta la composición química de la capa de plomo y estaño de un cojinete sin ningún tipo de desgaste. Tabla 3. Composición química del cojinete sin desgaste. Elemento químico CK Porcentaje en peso Wt % 20.86 OK 8.5 Pb 60.05 Sn 3.89 Sb 6.7 Total 100 Por otra parte, una vez que el cojinete ha cumplido con su labor durante el servicio real, el desgaste que se produce sobre la superficie puede ser debido a varias causas como las mencionadas en sección 2.4.2.1. Figura 33 presenta una imagen SEM del daño observado en un cojinete después de su servicio y además muestra la composición química la cual ha sido modificada con respecto a la que se presentó con el cojinete sin desgaste. El contenido de Cobre (Cu) es nuevo y esto se presenta debido a que la capa de plomo y estaño ha sido totalmente desprendida por el constante desgaste por deslizamiento, fricción, abrasión que se genera por la inserción de basura, contaminantes y partículas extrañas provenientes del filtro de aceite o de la atmosfera. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 47 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (a) Superficie del cojinete desgastada (b) EDS Análisis químico de la zona dañada del cojinete Fig. 33. EDS análisis químico en la zona dañada del cojinete. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 48 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En la Tabla 4, se presenta la composición química de un cojinete que ha sufrido desgaste y una comparación con la composición química de un cojinete sin ningún tipo de daño que se presentó en la figura 33. En la composición química del cojinete con desgaste hay una reducción en el contenido de Plomo (Pb) y un incremento en el contenido de Estaño (Sn), además aparecen elementos como Cobre (Cu) y Níquel (Ni), esto podría ser debido a partículas extrañas, contaminantes que se produjeron durante el tiempo de contacto con el muñón del cigüeñal durante la acción de deslizamiento. Además, esto indica que la capa de plomo, estaño y antimonio (Metal Babbit) fue arrancada de esa zona por lo que es posible visualizar en el análisis químico un contenido de Cobre que es una de las capas intermedias en el cojinete, esto confirma que este elemento mecánico sufrió daño pero en condiciones normales. Tabla 4. Análisis químico de un cojinete desgastado. Cojinete con desgaste (Fig. 34) Porcentaje en peso Elemento químico Wt % CK 25.33 FIME Cojinete sin desgaste (Fig. 33) Porcentaje en peso Elemento químico Wt % CK 20.86 OK 13.5 OK 8.5 Pb M 6.8 Pb 60.05 Sn L 40.72 Sn 3.89 Ni K 3.21 Sb 6.7 Cu K 10.43 Total 100 Total 100 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 49 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.3.3 DESCRIPCIÓN DE LOS MECANISMOS DE DESGASTE USANDO MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) La identificación de los mecanismos de desgaste se pudo realizar usando un microscopio óptico y un microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés). La figura 34muestra la superficie del los cojientes (metales) de bielaantes de sufrir algún tipo de daño para poder comparar con las imágenes donde se presenta el desgaste del cojinete. En la figura 35, es posible observar un daño provocado por el desprendimiento de una parte de la primera capa protectora (capa de Metal Babbit, compuesta por Plomo, Estaño y Antimonio, según en figura 32). Esta fotografía se obtuvo empleando un Microscopio óptico Olympus GX-51. Al hacer una magnificación de la misma zona de daño, es posible observar que el daño por fatiga fue importante ya que existen zonas de arrancamiento o desprendimiento de material muy severas. Por supuesto, desgaste por abrasión pudo ser otro de los mecanismos a considerar por la acción sobre las superficies de partículas extrañas de diversas formas y tamaños que pudieron llevar a acelerar el proceso de desgaste. Fig. 34. Cojinete nuevo (sin desgaste). FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 50 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Líneas paralelas en la dirección de deslizamiento Agujero (pitting) Remanente de la capa de cobre Fig. 35. Desgaste provocado por fatiga. Zonas de arrancamiento o desprendimiento FIME Desgaste abrasivo severo UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 51 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Daño por oxidación de la capa de acero (capa base del cojinete) Remanente de la capa de cobre (color rojo-anaranjado) ( Zonas de arrancamiento o desprendimiento severo (desgaste anormal) Fig. 36. Desgaste provocadopor fatiga (ampliación). Adicionalmente en figura 37, es posible observar agujeros sobre la superficie del cojinete de biela, algún material que se quedó sobre la superficie, podrían ser residuos de desgaste, además de algunos surcos o ranuras provocadas por el deslizamiento de partículas abrasivas durante el contacto por deslizamiento con el muñón del cigüeñal. Surcos, ranuras provocadas por la acción de deslizamiento ( Grietas Fig. 37. Otras zonas de daño en el cojinete. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 52 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En la figura 38a-c es posible observar el daño causado en los cojinetes de las bielas después de 8 años de servicio real con un mantenimiento adecuado y constante. Sobre las superficies de los cojinetes con el mayor desgaste (figura 23) es posible observar grietas sobre la superficie, de laminación de la misma debido al arrancamiento severo de capas exteriores producido por el desgaste por deslizamiento y las partículas que se fueron desprendiendo por la misma acción. Algunas partículas son observadas en los surcos formados en la superficie y conforme la magnificación de la zona de daño es mayor es mucho más claro este mecanismo de desgaste. Grietas Delaminación Delaminación Surco (a) Superficie de cojinete con desgaste severo FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 53 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Material sobrepuesto (untado) Partículas incrustadas en surco (b) Zona de daño severo mayor magnificación Partículas incrustadas en surco Agujero (c) Zona de daño severo mayor magnificación Fig. 38. Superficie de los cojinetes con mayor desgaste. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 54 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En el caso de la superficie de los cojinetes con el menor desgaste es posible mencionar que aunque el desgaste fue menos pronunciado, delaminación de las capas superficiales fue observada, conforme se incrementa la magnificación de las zonas de daño es posible ver partículas se quedaron incrustadas sobre la superficie por la misma acción de deslizamiento de las dos superficies en contacto. Por supuesto, surcos con menor profundidad e intensidad que los observados en la figura 38, son también vistos en esta zona de desgaste. En la figura 39a-d se muestran estos mecanismos de desgaste. Un análisis químico fue realizado sobre la superficie de daño lo que confirmo que la primera capa de Plomo y Antimonio fue en algunas secciones removida y la aparición de Cobre comprueba esto. No olvidar que la capa que continua después de la capa de metal Babbit (Plomo y Antimonio) es precisamente la de cobre. (a) Superficie del cojinete con menor desgaste FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 55 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Arrancamiento de material (b) Superficie del cojinete con menor desgaste mostrando arrancamiento (c) Superficie del cojinete con partículas incrustadas y surcos FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 56 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (d) Superficie del cojinete con partículas incrustadas y surco (e) Análisis químico de la superficie del cojinete con aparición de la capa de Cu Fig. 39. Fotografías de la superficie del cojinete con menor desgaste. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 57 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.3.4 RECOMENDACIONES PARA REDUCIR EL DESGASTE EN COJINETES (METALES) DE BIELA 1. Revisar el nivel de aceite (alto o bajo nivel de aceite). Cuando la bomba de aceite funciona, manda una señal al tablero de instrumentos e informa si existe una presión correcta, alta o baja. Cuando la presión o el volumen están bajos, no se puede garantizar que el lubricante llegue a los lugares más recónditos del motor, además, la baja presión provoca daños irreversibles a los árboles de levas, válvulas, pistones, bielas y principalmente a los cojinetes de biela, bancada y cigüeñal. 2.- No sobre revolucionar el vehículo (en frío). El motor no se debe sobre revolucionar (acelerón) después de arrancarlo ya que en esos primeros instantes, la lubricación del motor es crítica, y por la baja temperatura del aceite está mucho más viscoso, es decir, tarda más en llegar a los puntos más alejados del motor, por lo tanto su capacidad de proteger dichas partes es poca y seguramente habrán daños irreparables en los cojinetes de biela y bancada, pistones, entre otros. La mejor manera de calentar el vehículo es manejándolo. Sólo se necesita permitir que el vehículo esté encendido durante 30 segundos antes de empezar el recorrido. Hacerlo por más tiempo simplemente desperdicia combustible e incrementa las emisiones contaminantes. Aunado a ello, el manejo agresivo (alta velocidad, aceleración rápida y detención brusca) daña las partes internas del motor y desperdicia combustible. 3.- No cambiar o utilizar lubricante de baja calidad. El aceite, inevitablemente, se deteriora con el uso. Una de las razones es la presencia de los contaminantes, como por ejemplo el combustible no quemado, productos de combustión, o suciedad introducida con el aire de admisión. Estos “agresores” pasan a través de los aros del pistón al cárter en cantidades mínimas por ciclo, pero deben ser combatidos por los aditivos del aceite, ya sea a través de una neutralización química, o evitando que se aglomeren para que no puedan causar daños en el motor. Esto va consumiendo los aditivos. Otros contaminantes son los metales provenientes del desgaste, suciedad de reparaciones o cambios de aceite y agua. El lubricante lo único que puede hacer en estos casos es mantenerlos en suspensión en un tamaño mínimo para que circulen por el filtro y los conductos, pero no puede eliminarlos. Dichos contaminantes salen del motor solamente en el cambio de aceite. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 58 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Otra forma de deterioro del lubricante es la oxidación en sí. Toda sustancia que deba trabajar a alta temperatura y en contacto con el aire sufre este proceso. En el motor, el aceite es batido constantemente, con lo que la oxidación es muy grave. Los lubricantes de más alta calidad soportan por más tiempo de uso estas condiciones al tener aditivos antioxidantes, pero no se puede prolongar en forma indefinida su uso. El proceso de oxidación del aceite es producido por el combustible proveniente de una combustión incompleta que genera en el cárter del motor reacciones químicas complejas. El engrosamiento del lubricante es evidente a los pocos kilómetros de uso. Debemos destacar que el combustible al principio licúa al aceite, pero luego contribuye en mayor medida al incremento en su densidad. 4. Tener fugas de aceite (retenes en mal estado, cárter perforado). La ausencia total de lubricación (aceite) en el sistema, conduce al daño del cojinete, provocando la destrucción total de la pieza, como lo observado en la última parte del análisis del daño. No obstante, es más frecuente el fallo por lubricación insuficiente, en el que la cantidad de lubricante que llega al sistema eje-cojinete, no permite mantener la película de aceite y se produce el contacto entre las dos piezas. El funcionamiento prolongado en esas condiciones también produce la destrucción total del conjunto. El daño en un retén del motor, provoca el escape del aceite por ese extremo. La pista de los cojinetes, próxima al retén presentará daños; debido a la rotura de la película lubricante por pérdida de presión de aceite (ralladuras), signo de una lubricación insuficiente. 5. Uso excesivo de aditivos. Los aceites contienen los aditivos que exigen los fabricantes de automóviles para que los lubricantes se comporten de acuerdo a sus requerimientos. Por ejemplo: evitar la formación de carbones y lodos, minimizar el desgaste, no formar espumas, favorecer el arranque en frío y prolongar su tiempo de uso. El comportamiento del aceite es controlado en pruebas muy estrictas, de larga duración, realizadas en motores estandarizados, controlados especialmente. En ellos se simula toda la vida del motor, en condiciones exageradamente severas de uso. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 59 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Además, agregando más aditivos que los requeridos por los lubricantes, no se logra un mejor rendimiento, ya que las mezclas que se obtienen no son homogéneas, ni equilibradas, por lo que se pueden generar efectos negativos. El lubricante se espesa demasiado, deja de fluir correctamente y la función de lubricar y refrigerar de un aceite no se cumple adecuadamente. También hay que tener en cuenta qué tipo de aditivos se le agregan ya que algunos de ellos producen desgastes excesivos en el motor. Como conclusión se recomienda revisar cada 1000 Km el nivel y las condiciones del aceite del motor, si llegara a estar bajo el nivel, se deberá rellenar con aceite de las mismas características, y si el aceite estuviera degradado o contaminado, deberá realizar el reemplazo del mismo. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 60 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.4.3.5 ANÁLISIS CRÍTICO DE LOS DIFERENTES ENFOQUES A través de este estudio se pudo entender más acerca del daño provocado en los cojinetes (metales) de biela. Estos elementos mecánicos están expuestos continuamente al deterioro natural debido al contacto por deslizamiento con los muñones del cigüeñal, por la incrustación de partículas contaminantes, extrañas o incluso residuos del mismo desgaste que se produce, por supuesto la temperatura de trabajo, la degradación del lubricante, mal montaje, condiciones inadecuadas, todos estos factores pueden influir para ocasionar graves problemas de desgaste en nuestros automóviles. Es importante mencionar que una de las funciones que tiene la capa exterior compuesta de plomo, estaño y antimonio, es la de auto-lubricidad lo que está relacionado con la capacidad de la capa para poder incrustar partículas sobre su misma superficie y de ese modo evitar un desgaste mayor por partículas que se pudieran quedar atrapadas entre las superficies de contacto. Por medio de las imágenes de microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido fue posible observar como un buen número de partículas se quedaron incrustadas sobre la superficie del cojinete. Procesos de desgaste como fatiga por el constante contacto por deslizamiento de las partes, corrosión cuando la capa de estaño-plomo-antimonio es desprendida, entonces las capas de cobre y aluminio son propensas a ser desprendidas y la capa última de acero queda expuesta, y este proceso de daño tiende a acelerarse, el desgaste por impacto, incrustaciones, surcos, rasguños, son comúnmente observados después del servicio real. El análisis químico realizado a diferentes sectores de estos elementos mecánicos muestra resultados de las impurezas que se encuentran en ellos. Esto lleva a pensar que no todos los contaminantes quedan atrapados en los filtros lo que ocasiona que partículas extrañas, basura hagan contacto con la superficie de estos elementos y procedan a degradarlos. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 61 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA CAPITULO III FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 62 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 3. 1 CONCLUSIONES En este trabajo se presentó una descripción detallada del daño producido en cojinetes (metales) de biela. No se trató de solucionar el severo problema de desgaste que se tiene en estos componentes mecánicos sino de dar una explicación profunda acerca de cómo se presenta el daño, porque ocurre y que es lo que lo provoca. Se realizó una revisión bibliográfica acerca de estos componentes, sus antecedentes, los diferentes tipos de bielasque actualmente son empleados en los motores de combustión interna. Se mencionaron las diferentes funciones que tienen estos componentes mecánicos, una descripción de su morfología y de los materiales que actualmente son empleados para su correcta operación. Asimismo, se realizó un análisis detallado de los principales procesos y mecanismos de desgaste que están involucrados en el daño producido en estos componentes mecánicos. Un estudio de dureza, además de un análisis químico se llevó a cabo para conocer cuales son los materiales usados para la fabricación de estos elementos mecánicos. La identificación de los mecanismos de desgaste se logró usando microscopia electrónica de barrido para completar el análisis de falla. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 63 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 3.2 BIBLIOGRAFÍA [1] Wikipedia, Ciclo de cuatro tiempos, http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiempos(revisado 5 de enero de 2014). [2] Foro Coches, Metales de biela, http://m.forocoches.com/foro//showthread.php?t=2390149&page=2 (revisado 5 de enero de 2014). [3] Biela, Historia, Máquinas de vapor, Motores de combustión interna, http://centrodeartigos.com/articulos-noticias-consejos/article_148774.html (revisado 5 de enero de 2014). [4] Catarina-Udlap, Capítulo 2. Antecedentes y descripción del proceso http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/cruz_p_j/capitulo2.pdf (revisado 5 de enero de 2014). [5] Youblisher, Modulo 6. Cojinetes de motor, http://www.youblisher.com/p/63032-PleaseAdd-a-Title/ (revisado 5 de enero de 2014). [6] Technology, Partes de la biela de un motor de 4 tiempos, http://technology73.blogspot.mx/2013/03/partes-de-la-biela-de-un-motor-de-4.html (revisado 5 de enero de 2014). [7] Aficionados a la Mecánica, Elementos móviles, http://www.aficionadosalamecanica.net/motor-elementos-moviles.htm (revisado 5 de enero de 2014). [8] Exposición bielas, Tipos de biela, http://expobielasdiesel.blogspot.mx/(revisado 5 de enero de 2014). [9] Taller Virtual, La biela, partes y función, http://www.tallervirtual.com/2009/12/10/labiela-partes-y-funcin/ (revisado 5 de enero de 2014). FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 64 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA [10] Mustafa Nursoy, CengizOner, Ibrahim Can, Wear behavior of a crankshaft journal bearing manufactured by powder spraying, Materials and Design 29 (2008) 2047-2051. [11] ASTM standard, G76-95 (1995), Standard practice for conducting erosion tests by solid particle impingement using gas jets, in Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.02, ASTM, Philadelphia, PA, 1995: pp. 321-325. [12] La Tribología Ciencia y Técnica para el Mantenimiento, Francisco Martínez Pérez Editorial Limusa. [13] I.M. Hutchings, Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, Edward Arnold, London, 1992. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 65 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA GLOSARIO TRIBOLOGÍA: Ciencia y tecnología de superficies que se encuentren en contacto y movimiento relativo. EROSION: Pérdida progresiva de material debido al impacto de partículas sólidas abrasivas o al impacto de un líquido mezclado con un sólido. PARTICULA ABRASIVA: Es la partícula que se emplea para llevar a cabo pruebas de desgaste. Estas pueden tener una forma cónica o redonda. Además, es posible describirla como algo que desgasta o pule por fricción, especialmente una superficie, material duro que sirve para pulir, cortar o afilar otro material más blando. DEFORMACIÓN PLÁSTICA: Deformación de un material plástico producida por una fatiga superior al límite elástico del material, que le produce un cambio permanente de su forma. También llamada fluencia plástica. DUCTILIDAD: Se conoce como ductilidad a la propiedad de aquellos materiales que, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sin llegar a romperse. Estos materiales, como ciertos metales o asfaltos, se conocen como dúctiles. RUGOSIDAD: Conjunto de irregularidades que posee una superficie. Sus unidades de medida son los micrómetros (µm). PERFILÓMETRO: El rugosimetro o perfilometro es el equipo más utilizado en la industria para medir la rugosidad de componentes comunes de ingeniería. El principio de operación es simple: una fina aguja es desplazada en forma uniforme y estable a través de la superficie examinada. Como la aguja viaja sobre la superficie, esta sube y baja. Este desplazamiento vertical es convertido por un transductor en una señal eléctrica la cual es amplificada y, en su forma más simple del instrumento, mueve la pluma de un cuadro de registro. La gráfica dibujada por los movimientos de la pluma representa el desplazamiento vertical de la aguja en función de la distancia recorrida a lo largo de la superficie. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 66 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN COJINETES (METALES) DE BIELA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA VIGA TIPO CANTILEVER: En ingeniería, el término ménsula refiere a un tipo de viga denominado más comúnmente voladizo (en inglés cantiléver) que se caracteriza por estar apoyada en sólo uno de sus extremos mediante un empotramiento. CONFORMADO: El concepto del conformado comprende todos los métodos de fabricación que permiten deformar plásticamente (a temperatura ambiente y ejerciendo una presión elevada) metales o aleaciones de metales tales como cobre, aluminio o latón, pero sin modificar el volumen, el peso o las propiedades esenciales del material. Durante el conformado en frío, por ejemplo, la materia prima recibe su nueva forma mediante un proceso que consta de diferentes etapas de deformación. De tal manera se evita que se exceda la capacidad de deformación del material y por lo tanto su rotura. MAQUINABILIDAD: Es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados. FIME UNIVERSIDAD VERACRUZANA Página 67
