análisis de propiedades mecánicas y tribológicas de la aleación

ANÁLISIS DE PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE LA
ALEACIÓN PULVIMETALÚRGICA DE HIERRO GRAFITADO
CRISTHIAN ANDRES GOMEZ GUEVARA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
SANTIAGO DE CALI
2014
ANÁLISIS DE PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE LA
ALEACIÓN PULVIMETALÚRGICA DE HIERRO GRAFITADO
CRISTHIAN ANDRES GOMEZ GUEVARA
Proyecto de Grado para optar el título de Ingeniero Mecánico
Director
FABER CORREA BALLESTEROS, PhD.
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
SANTIAGO DE CALI
2014
Nota de aceptación:
Aprobado por el Comité de Grado en
cumplimiento de los requisitos exigidos
por la Universidad Autónoma de
Occidente para optar al título de
Ingeniero Mecánico.
LEONID IPAZ
Jurado
MAURICIO BARRERA
Jurado
Santiago de Cali, 13 de mayo de 2014
3
Este trabajo se lo dedico a mi madre Silvia Elena Guevara y a la memoria de mi
padre Julio Cesar Gomez, que me formaron con buenos valores y han hecho de
mí el hombre que soy hoy por hoy, que a pesar de las adversidades siempre se
esforzaron para sacarme adelante y sobre todo que siempre creyeron en mí.
A mi hermano Edwin Alberto Gomez que siempre me ha brindado su compañía.
A mi familia en general, que siempre me han mostrado que no solo en las buenas
y en las malas puedo contar con ellos.
4
AGRADECIMIENTOS
Les agradezco principalmente a mi director de proyecto de grado el Dr. Faber
Correa Ballesteros y a la directora del grupo GCIM la Dra. Nelly Cecilia Alba de
Sánchez, quienes me dieron la oportunidad de participar y tuvieron la paciencia de
esperarme, para continuar en el proyecto a pesar de los problemas que tuve que
afrontar a lo largo de este.
Al ingeniero Juan de Jesús Galindo, quien me colaboró en todo lo relacionado con
la empresa MVM Ltda.
A los ingenieros Gustavo Agudelo y Andrés Felipe Saavedra quienes me
colaboraron en todo lo relacionado con las pruebas y ensayos en los laboratorios.
5
CONTENIDO.
Pág.
GLOSARIO ............................................................................................................ 12
RESUMEN ............................................................................................................. 14
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 15
1. ANTECEDENTES ........................................................................................... 16
2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
16 2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 16 2.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
17
3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 18
4. OBJETIVOS .................................................................................................... 19
4.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................... 20
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................... 20
5. MARCO REFERENCIAL................................................................................. 20 5.1. MARCO TEÓRICO
21 5.1.1. Metalurgia de polvos (mp) o pulvimetalurgia. l. ...................................... 21 5.2 MATERIALES UTILIZADOS EN METALURGIA DE POLVOS ...................... 21 6
5.2.1 Grafito. ..................................................................................................... 22 5.2.2 Hierro. ...................................................................................................... 22 5.2.3 Aleación Hierro-Grafito. ......................................................................... 22 5.3 GUIA DE VALVULA PARA MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ......... 23
6. DETALLES EXPERIMENTALES .................................................................... 23 6.1 MICROSCOPIA ÓPTICA ................................................................................ 24 6.2 DUREZA ROCKWELL B (HRB) ..................................................................... 25 6.3 DUREZA VICKERS (HVN) .............................................................................. 26 6.4 PRUEBA DE RESISTENCIA AL DESGASTE ................................................ 27
7 ANALISIS Y RESULTADOS ........................................................................... 30 7.1 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL ................................................................ 30 7.2 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO, SEM – EDS ....................... 35 7.3 DUREZAS ....................................................................................................... 40 7.4 PRUEBA DE DESGASTE ............................................................................... 43
8 CONCLUSIONES. ........................................................................................... 49
9 RECOMENDACIONES ................................................................................... 50
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 51
ANEXOS ................................................................................................................ 53 7
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Parámetros del ensayo pin on disk para la guía de válvula. ......... 29
Cuadro 2. Referencia guías. ................................................................................ 30
Cuadro 3. Porcentaje de poros del material de las guías. ............................... 33
Cuadro 4. Dureza HRB de guías de válvulas .................................................... 41
Cuadro 5. Dureza Vickers (HVN) de las probetas............................................. 42
Cuadro 6. Parámetros utilizados en la prueba de desgaste (pin on disk). .... 44
Cuadro 7. Coeficiente de fricción promedio y pérdida de masa..................... 44
de las probetas
8
LISTA DE FIGURAS
Pág
Figura 1. Etapas de la producción de MP .......................................................... 21
Figura 2. Diagrama de ubicación de la guía de válvula .................................... 23
Figura 3. Seccionado de probetas en guía de válvula. ..................................... 24
Figura 4. Microscopio óptico, modelo PME 3 - 313, UAO. ............................... 24
Figura 5. Guía de válvulas. .................................................................................. 25
Figura 6. Durómetro AFFRI, modelo 206 EX, UAO. .......................................... 25
Figura 7. Micro-durómetro Zwick, UAO. ............................................................ 26
Figura 8. Tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en seco;
laboratorio GCIM, UAO. ....................................................................................... 27
Figura 9. Partes del equipo Pin on disk. ............................................................ 28
Figura 10. Montaje de la probeta para la prueba Pin on disk. .......................... 28
Figura 11. Equipo de ultrasonido, laboratorio GCIM, UAO. ............................. 29
Figura 12. Balanza analítica, laboratorio GCIM, UAO. ..................................... 29
Figura 13. Micrografías de guía de válvula de MVM (500X). ............................. 31
Figura 14. Micrografías de guía de válvula comercial (500X)........................... 32
9
Figura 15. Porcentaje de porosidad por área del material de MVM a (50X). .. 34
Figura 16. Molde de compactación. ................................................................... 35
Figura 17. Micrografías SEM y análisis por EDS de la probeta 3 a 250X de
MVM. ..................................................................................................................... 36
Figura 18. Análisis por EDS de la probeta 3 a 250X de MVM; Spectrum 1...... 37
Figura 19. Análisis por EDS de la probeta 3 a 250X de MVM; Spectrum 3...... 38
Figura 20. Micrografías SEM y análisis EDS de la probeta .............................. 39
3 a 500X comercial.
Figura 21. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X comercial; Spectrum 1. . 40
Figura 22. Dureza HRB Vs tipo de material........................................................ 41
Figura 23. Durezas Vickers vs tipo de material para prueba de dureza. ......... 42
Figura 24. Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 1 ..................... 45
Figura 25. Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 2 ..................... 45
Figura 26. Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 3 ..................... 46
Figura 27. Micrografías de guía de válvula MVM............................................... 47
Figura 28. Micrografía de guía de válvula comercial. ....................................... 48 10
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X comercial; Spectrum 2. .. 53
Anexo B. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X comercial; Spectrum 3. ... 54
Anexo C. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 2. ........... 55
Anexo D. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 4. ........... 56
Anexo E. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 5. ........... 57
Anexo F. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 6. ........... 58
11
GLOSARIO
GUIA DE VÁLVULA: es un buje largo en el cual desliza la válvula, con el fin de
guiar el desplazamiento longitudinal de la válvula.
HIERRO GRAFITADO: esta aleación como su nombre lo indica se conforma de
pre-alear una cantidad de hierro con grafito en polvo, posee buenas propiedades
mecánicas, como lo son la resistencia al impacto, tenacidad y auto lubricante, con
esta aleación fabrican bloques para motores diesel, palos de golf, pedales de
bicicletas, candelabros para decorar, entre otros.
DESGASTE DE SUPERFICIES SÓLIDAS: es la pérdida de material en una
superficie sólida debido a la fricción con otra superficie más dura.
DUREZA: es una oposición del material a alteraciones como la penetración, el
rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras.
PULVIMETALURGIA: es un proceso de fabricación en el cual se compactan
polvos finos y se sinterizan para darles una forma determinada.
SINTERIZACIÓN: es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o
cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar
la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.
ALEAMIENTO MECÁNICO: Es una técnica de procesamiento en estado sólido
que permite producir aleaciones a partir de la mezcla de polvos elementales o
polvos prealeados.
PREALEADO: el material en polvo se encuentra parcialmente unido a nivel
químico.
TRIBOLOGÍA: ciencia que estudia los fenómenos relacionados con la fricción.
MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO: técnica que utiliza un haz de
electrones para crear una imagen de alta resolución y profundidad.
12
DIFRACCIÓN DE ELECTRONES DISPERSADOS: técnica utilizada para
determinar la composición química de un material en una zona específica. Esta se
realiza en un microscopio electrónico de barrido.
13
RESUMEN
Este trabajo de grado se realizó con el grupo GCIM de la Universidad Autónoma
de Occidente y la empresa MVM, el cual hace parte del macro proyecto titulado:
Producción y caracterización de aleaciones de hierro grafitado y acero
aleado obtenidas por aleamiento mecánico. En esta empresa se producen las
guías de válvulas para motores Diesel, con hierro grafitado, pero al colocarlos en
funcionamiento en el motor, presentaban desgaste y se deterioraban rápidamente,
ocasionando daños en la válvula y culata del motor, debido a los grandes
esfuerzos que debe soportar. Este fenómeno se presenta debido a que el
coeficiente de fricción de la guía frente a la válvula es muy alto. El objetivo de esta
investigación se basó en caracterizar y seleccionar la aleación de hierro grafitado
pulvimetalúrgica que cumpliera con las especificaciones para fabricar guías de
válvulas para motores diesel.
Se analizaron dos tipos de guías, las comerciales y las que actualmente produce
la empresa MVM, obtenidas a base de hierro grafitado, pero mediante dos
procesos diferentes: fundición y pulvimetalurgia. Se realizó microscopía óptica,
donde se caracterizó la microestructura y el porcentaje de porosidad en área del
material, se determinó la dureza de los materiales en las piezas producidas,
también se realizó microscopia electrónica de barrido SEM, para analizar el
mecanismo de desgaste, como parámetro de comparación con las guías de
válvulas para motores Diesel del mercado automotriz y se evaluó el desgaste de
las guías mediante la prueba Pin on disk, para analizar la perdida de material y
obtener el coeficiente de fricción, para determinar la más apropiada que cumpliera
los requerimientos de funcionamiento de estos.
Se determinó mediante las pruebas que se realizaron a las probetas de MVM y a
las probetas comerciales, que la aleación comercial presentó mejor desempeño en
cuanto a la caracterización de las propiedades mecánicas y tribológicas.
Con esta investigación, la empresa MVM ha incrementado su productividad y
competencia ante otras empresas que realizan mediante diferentes procesos de
fabricación el mismo tipo de piezas.
Palabras clave: motor diesel, hierro grafitado, pulvimetalurgia, guías de válvula,
aleamiento mecánico
14
INTRODUCCIÓN
En la actualidad se fabrican muchas piezas de motores de combustión interna en
todo el mundo, mediante el proceso de metalurgia de polvos o pulvimetalurgia. Las
empresas que trabajan este proceso son altamente competitivas en el mercado
global. Las piezas producidas con esta técnica presentan alta precisión y
confiabilidad, también se pueden fabricar piezas de geometrías complejas y
realizar producciones en grandes series, además se puede tener control de la
porosidad para la auto-lubricación.
En Colombia el proceso de metalurgia de polvos no se aplica ampliamente en el
sector industrial y existen en la actualidad pocas empresas fabricantes de piezas
sinterizadas. Una de estas empresas es MVM Ltda., localizada en Cali y dedicada
a la fabricación de partes para motores de combustión interna, especialmente las
guías y asientos de válvulas de motores a gasolina, que se producían mediante el
proceso de fundición. En los proyectos de innovación y desarrollo, en la empresa
MVM han considerado la producción de estas mismas piezas para los motores
Diésel, lo cual implica determinar la aleación adecuada y el diseño de los procesos
de compactación y sinterización correspondientes.
El objetivo del presente proyecto fue analizar y seleccionar la aleación en polvo de
hierro grafitado, para fabricar las guías de las válvulas para motores diesel,
dependiendo de las propiedades mecánicas y tribológicas. Se analizaron dos
aleaciones con diferentes composiciones obtenidas con dos métodos diferentes:
por proceso de fundición y por pulvimetalurgía, se realizó la caracterización
estructural, morfológica, mecánica y tribológica de cada aleación, para determinar
la más apropiada que cumpla los requerimientos de funcionamiento en las guías
de las válvulas de motores diesel. Con esta investigación y mediante el vínculo
Universidad – Industria, se espera contribuir al mejoramiento de la competitividad
de la empresa MVM, mediante la innovación en materiales y procesos, cambiando
piezas producidas por fundición por piezas producidas por sinterización y el
desarrollo de nuevos productos, en este caso para utilizarlos en los motores
Diésel. Con esta innovación la empresa estará en capacidad de enfrentar los
retos que demanda los Tratados de Libre Comercio, que actualmente se están
implementando en nuestro país.1
1
LEE Peter W. Powder Metal Technologies and Applications, Volume 7 of ASM Handbook, 1998
15
1. ANTECEDENTES
A nivel nacional, la empresa metalmecánica MVM Ltda., fundada en 1985, inició
labores fabricando bujes para ejes de levas y maquinaria para la rectificación de
motores. En el año 1999 desarrolla las guías para válvula de motor, en el 2003 las
camisas para motor y en el 2010 desarrolla el proceso para la producción de
piezas por medio de la Metalurgia de Polvos (MP), logrando así expandir sus
fronteras económicas incursionando en mercados muy exigentes y competitivos
como lo son: México, Venezuela, Ecuador y Estados Unidos de América.
Actualmente en Colombia el mercado de autopartes se ha vuelto muy competitivo
en cuanto a calidad y precios, lo cual conlleva a las empresas a realizar procesos
de estandarización y de caracterización de materias primas y productos
terminados respectivamente, con el propósito de ofrecerle al cliente un instructivo
detallado sobre las propiedades de las piezas fabricadas y así poder manifestar
mayor calidad del producto.
El grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales GCIM ha trabajado en el tema de
Materiales en polvo, mediante proyecto financiado por Colciencias, la Universidad
del Valle, la Universidad Santiago de Cali y la Universidad Autónoma de
Occidente, se diseñó y fabrico el molino de bolas para realizar aleamiento
Mecánico.
Además el grupo publicó el libro Fundamentos y aspectos generales del
Aleamiento Mecánico, donde se presentan resultados de varios trabajos de grado
dirigidos en esta línea de investigación.2
2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
2.1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2
JARAMILLO SUAREZ, Héctor Enrique; ALBA DE SANCHEZ, Nelly Cecilia y AVILA, Julián
Arnaldo. Fundamentos y aspectos generales del Aleamiento Mecánico. Santiago de Cali 2011.
Universidad Autónoma de Occidente. Grupo de Investigación en Ciencia e Ingeniería de los
Materiales GCIM.
16
Los principales fabricantes y proveedores de guías y asientos de válvulas para
motores diésel se encuentran en India, China y Brasil, los cuales usan el proceso
de metalurgia de polvos en la fabricación. Las materias primas procesadas
comúnmente son arrabio (hierro fundido), manganeso y bronce3. Una de las pocas
empresas fabricante de estas piezas en Colombia es MVM Ltda., Aunque
tradicionalmente lo han hecho mediante el proceso de fundición, y sólo para
motores de gasolina. Actualmente la empresa cuenta con una línea completa de
metalurgia de polvos y está en desarrollo la producción de guías y asientos de
válvula para motores de gasolina, en lo cual, el grupo GCIM de la UAO ha
participado.
Actualmente la empresa MVM produce guías de valvulas, solo, para motores a
gasolina pero con este proyecto, se dio un soporte académico y científico a la
empresa, para la producción de sus guías de válvula para motores diesel,
fabricadas mediante aleación de hierro grafitado por procesos de pulvimetalurgia,
que permitió incrementar los productos para motores diesel en este contexto, fue
de particular interés, estudiar la influencia que ejerce el tipo de aleación, mezclada
o pre-aleada, en las propiedades mecánicas, microestructurales y tribológicas,
como la dureza, el coeficiente de fricción, y la tasa de desgaste por deslizamiento,
los resultados sirven de base para determinar la factibilidad técnica de fabricación
por proceso de pulvimetalurgia y evaluar su desempeño en el motor.
2.2.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
La pregunta que se abordó para responder en esta investigación fue:
¿La mezcla de polvos pre-aleados de hierro grafitado, presentará buenas
propiedades tribológicas y de dureza, para fabricar las guías de válvulas para
motores diesel?.
3
Alibaba, directorio de productos, proveedores y compradores internacional [ en linea][consutado
enero
de
2014]Disponible
en
intrenet:
http://spanish.alibaba.com/trade/search?selectedTab=product&_csrf_token_=
gcqvgqoubilh&SearchText=motor+diesel+asiento+de+la+v%C3%A1lvula 25 de noviembre de 2013
17
3. JUSTIFICACIÓN
Es ampliamente conocido que una de las ventajas que presentan las piezas
sinterizadas es la auto lubricación, lo cual se debe a la porosidad que caracteriza
18
este tipo de piezas4. En el caso de motores de combustión interna a gasolina o
diésel, es muy conveniente que las partes que están constantemente lubricadas,
como las guías y asientos de las válvulas por ejemplo, se fabriquen por metalurgia
de polvos, pues su vida útil frente al desgaste será mucho mayor. Otra ventaja de
usar el proceso de metalurgia de polvos, es la reducción, o en algunos casos, la
eliminación de operaciones de maquinado posterior, como sucede en la
fabricación de las guías y asientos de válvulas donde se elimina el proceso de
taladrado, necesario cuando se hacen por proceso de fundición. Esto conduce al
mejoramiento de la productividad de la empresa fabricante y consecuentemente,
la hace competitiva en el mercado nacional e internacional y posiciona a la
empresa, en este caso a MVM Ltda., al nivel de grandes multinacionales que usan
la tecnología moderna de la metalurgia de polvos.
Considerando que MVM cuenta con la infraestructura para producir piezas por
pulvimetalurgia, es necesario y prioritario desarrollar nuevos productos en la línea
de partes para motores de combustión interna, buscando reemplazar piezas
hechas por fundición, por piezas fabricadas con pulvimetalurgia. Esta innovación
en la materia prima y los procesos de fabricación, requiere de la experimentación y
el diseño y fabricación de herramientas nuevas, lo cual demanda tiempo y
personas dedicadas a estas labores y generalmente las empresas tienen muchas
limitaciones para desarrollar investigación paralela a la producción. La alianza
Universidad - Empresa soluciona, en gran parte, esta dificultad y en este caso, el
grupo GCIM de la UAO, dentro del macro proyecto está realizando la investigación
en lo relacionado con la definición del tipo de material pulvimetalúrgico, que
cumpla los requerimientos para la fabricación de guías de válvulas de motores
diésel. De esta manera se contribuye al desarrollo de la industria local y al
mejoramiento de la competitividad de la empresa MVM.
4. OBJETIVOS
4
ALBA DE SANCHEZ, Nelly Cecilia; CAÑIZALES, Juan Pablo y SÁNCHEZ STHEPA, Héctor.
Mecanosítesis de carburo de titanio. Cali, 2004. p.10-11. Proyecto de investigación profesoral.
Universidad Autónoma de Occidente, Universidad del Valle. Facultad de ingenierías.
19
4.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar y seleccionar la aleación pulvimetalúrgica de hierro grafitado apropiada
según las propiedades mecánicas y tribológicas, para la fabricación de guías de
válvulas de motores diesel.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Caracterizar estructural y morfológicamente, la aleación pulvimetalúrgica de
hierro grafitado pre-aleada, usada en la empresa MVM.

Evaluar la dureza y las propiedades tribológicas de un sólido obtenido con
dicha aleación, para determinar su desempeño frente al desgaste por
deslizamiento en seco.

Determinar si la aleación de hierro grafitado cumple con los requerimientos
para ser utilizada en la fabricación de guías de válvulas de motores diésel.
5. MARCO REFERENCIAL
20
5.1. MARCO TEÓRICO
5.1.1. Metalurgia de polvos (mp) o pulvimetalurgia. La Metalurgia de Polvos o
pulvimetalurgia es un proceso de conformación metálica, con el cual se pueden
fabricar piezas de geometrías complejas, de alta calidad, con dimensiones
cercanas a las del producto final y con mejores propiedades mecánicas. Este
proceso es muy usado para la producción en serie de piezas pequeñas, en las
cuales el costo del mecanizado influye sobre el costo del producto final.
Partiendo de polvos finos y tras la compactación para darles una forma
determinada, se calientan en atmósfera controlada (sinterizados), para la
obtención de la pieza; esta técnica moderna de manufactura para la fabricación de
piezas permite obtener una porosidad controlada para auto-lubricación, con lo cual
se hace altamente fiable y económicamente competitiva.
El proceso de producción de metalurgia de polvos, consta principalmente de
cuatro etapas, las cuales son: Polvo base, mezclado, prensado y sinterizado.
Estas etapas se ilustran en la figura 1.
Figura 1. Etapas de la producción de MP
Fuente:
sitio
web
MVM
LTDA.
Disponible
http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html
5.2 MATERIALES UTILIZADOS EN METALURGIA DE POLVOS
21
en
línea
Entre los materiales empleados en la Metalurgia de Polvos se encuentran los no
ferrosos (bronce, latón y cobre), los intermedios (bronce grafitado, bronce diluido,
acero infiltrado y hierro grafitado), y los ferrosos (hierro, aceros al carbono, aceros
aleados y aceros inoxidables).
5.2.1 Grafito. El grafito natural es una forma alotrópica del carbón. Es estable y
químicamente inerte a temperatura normal, no tóxica, resistente al calor y
excelente conductor de calor y electricidad. La propiedad auto lubricante de este
material a cualquier temperatura, lo hace ideal para emplearse en lugares de difícil
lubricación; se mezcla fácilmente con otros materiales tanto líquidos como sólidos.
Es compresible y maleable; resiste el ataque químico, el choque térmico, la
contracción y la oxidación; tiene bajos coeficientes de fricción y de expansión
térmica. Se encuentra en la naturaleza en pequeños cristales hexagonales o se
puede producir de forma artificial. El grafito tiene numerosas aplicaciones
comerciales, Si se lo combina con una pasta, el grafito permite la producción de
lápices y de unos discos similares a los de vinilo, su uso a nivel industrial es uno
de los más amplios, entre los cuales se incluye la fabricación de sellos,
chumaceras, cojinetes, pistones, casquillos, juntas rotativas, aspas para
compresores, ánodos, cátodos, electrodos y otros objetos que se utilizan en el
ámbito de la ingeniería. El grafito incluso se utiliza en los reactores nucleares.
5.2.2 Hierro. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de
una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura. Es uno
de los metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre y a
que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee
propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad. El
hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con
el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria
moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la
ferrita o en la austenita en aceros austeniticos, todo el carbono que contienen las
aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro.
5.2.3 Aleación Hierro-Grafito. Esta aleación como su nombre lo indica se
conforma de pre-alear una cantidad de hierro con grafito en polvo. En la actualidad
encontramos este material ya procesado en varias aplicaciones y se consigue
principalmente por método de fundición, posee buenas propiedades mecánicas,
como lo son la resistencia al impacto y la tenacidad y es auto lubricante. Con esta
aleación se fabrican bloques para motores diesel, palos de golf, pedales de
bicicletas, candelabros para decorar, entre otros productos.
22
5.3
GUIA DE VALVULA PARA MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
Es una pieza que sirve de guía al vástago de la válvula durante su apertura y
cierre, para evitar el desgaste de la culata y transmitir el calor de la válvula al
circuito de refrigeración. En la figura 2 se observa la ubicación de la guía de
válvula en la parte interior de la culata. El material empleado en la fabricación de
guías de válvula es una aleación semejante a la de los asientos, que además lleva
molibdeno, lo que le confiere características auto lubricantes. Las guías se
construyen con un ajuste muy preciso con el vástago de las válvulas para evitar
fugas de gases.
Figura 2. Diagrama de ubicación de la guía de válvula
Fuente:
Aficionados
a
la
mecánica,
disponible
en
línea
http://www.aficionadosalamecanica.net/motor-distribucion.htm, consultado el 26 de
Febrero de 2014.
6. DETALLES EXPERIMENTALES
23
El primer paso para hacer un análisis y un estudio cuantitativo sobre las guías de
válvula, tomando en cuenta su geometría y la recomendación por parte de la
empresa MVM, fue cortar las guías en tres tramos perpendicularmente a su eje y
se denominaron: punta (probeta 1), intermedio (probeta 2), medio (probeta 3),
como se muestra en la figura 3, para su posterior análisis y caracterización.
Figura 3. Seccionado de probetas en guía de válvula.
6.1
MICROSCOPIA ÓPTICA
Para analizar detalladamente las características de la microestructura e identificar
las fases presentes de las probetas, se utilizó un microscopio metalográfico marca
Olympus modelo PME 3 - 313, que se muestra en la figura 4, donde se tomaron
micrografías a 50X, 100X, 200X y 500X. Para revelar la microestructura del acero,
fue necesario atacar químicamente las muestras con Nital al 2%.
Figura 4. Microscopio óptico, modelo PME 3 - 313, UAO.
24
6.2
DUREZA ROCKWELL B (HRB)
Para la prueba de dureza Rockwell B (HRB) en las guías de válvula, se tomaron
tres muestras de una misma referencia de guía, tanto de las comerciales como de
las guías de MVM, denominándolas probeta 1, probeta 2 y probeta 3, en donde a
cada cara de cada muestra se le realizaron tres indentaciones, para un total de
nueve mediciones por guía de válvula y se determinó el valor promedio de la
dureza de cada una. En la figura 5 se presenta fotografía de las guías de válvula.
Esta prueba se realizó con un durómetro AFFRI, modelo 206 EX ilustrado en la
Figura 6, el cual utiliza una bola de acero inoxidable de 1/16 y una fuerza de 1471
N sobre la muestra.
Figura 5. Guía de válvulas.
Figura 6. Durómetro AFFRI, modelo 206 EX, UAO.
25
6.3
DUREZA VICKERS (HVN)
En la prueba de micro dureza se empleó un micro-durómetro marca Zwick,
equipado con un indentador Vickers, que se muestra en la figura 7. Se realizaron 6
indentaciones aleatorias y separadas entre sí, para no afectar la medición de la
anterior. El valor de la dureza se obtuvo con el promedio de las medidas de las
diagonales de cada una de las indentaciones y se compararon los resultados
arrojados por la máquina, con el fin de estudiar la uniformidad de la micro dureza.
Figura 7. Micro-durómetro Zwick, UAO.
26
6.4
PRUEBA DE RESISTENCIA AL DESGASTE
Mediante la prueba de Pin en disk, se midió la resistencia al desgaste de las guías
de válvulas. Se evaluó el coeficiente de desgaste por fricción para cada muestra,
utilizando el equipo tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en
seco, el cual está conformado por un brazo que va unido a un porta pines, un plato
porta muestras de 100 mm de diámetro, un dinamómetro electrónico que mide la
fuerza de fricción y un sistema de control que permite cambiar la señal mecánica a
señal eléctrica como se observa en la Figura 8.
Figura 8. Tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en seco;
laboratorio GCIM, UAO.
Es una técnica que permite evaluar coeficiente de desgaste de pares deslizantes,
además de la determinación del desgaste a través del volumen del material
desgastado en una muestra, por la acción de una punta redondeada (pin) de un
material duro, y sometida a una carga deslizándose repetidamente sobre la
superficie de la muestra (disco). El desgaste se mide cuantitativamente por
diferencia de peso o cualitativamente por examen de la marca producida mediante
microscopia. En la figura 9 se aprecian las partes de un equipo pin on disk.
27
Figura 9. Partes del equipo Pin on disk
La prueba consiste en determinar la pérdida de peso de material que se produce
sobre la superficie de mayor desgaste de una muestra, para la cual se utilizaron
los parámetros de la tabla 1, estos fueron registrados como parámetros de entrada
a través del software MT 4001 – 98 del equipo.
Figura 10. Montaje de la probeta para la prueba Pin on disk.
28
Cuadro 1. Parámetros del ensayo pin on disk para la guía de válvula.
Parámetro (Unidades)
Valor
Radio del circulo de recorrido (mm)
5.5
Recorrido (m)
1000
Velocidad angular (rpm)
200
Carga (N)
10
Cada una de las probetas fueron limpiadas y pesadas antes y después de los
ensayos de Pin on Disk utilizando los equipos de ultrasonido marca Cole-Palmer y
la balanza analítica con precisión 0.0001 gramos, para calcular posteriormente la
pérdida de masa durante la prueba. En las Figuras 11 y 12 se muestran los
equipos usados.
Figura 11. Equipo de ultrasonido, laboratorio GCIM, UAO
Figura 12. Balanza analítica, laboratorio GCIM, UAO.
29
7 ANALISIS Y RESULTADOS
Se analizaron guías comerciales y guías de la empresa MVM, para hacer
significativo y comparativo el análisis de resultados, los dos tipos de guías
presentan dimensiones similares y ambas son fabricadas para el mismo tipo de
motor. En la tabla 2 se presentan las referencias y las dimensiones de las guías
analizadas.
Cuadro 2. Referencia guías.
7.1
Guía
Referencia
MVM
M - 3563
Comercial
512-1557-z
Diámetro
Espesor Longitud
(mm)
(mm)
(mm)
Exterior Interior
63,1
12,7
8
2,35
12,7
7,9
2,4
62,8
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL
Se realizó el análisis metalográfico a las probetas de hierro grafitado de MVM y a
las comerciales. En la figura 13 se presenta las micrografías a 500X de guía de
válvula de MVM y la micrografía obtenida por Narasimhan5; se observa alta
porosidad en las tres micrografías, al igual que la de referencia, la alta porosidad
es típica en los materiales pulvimetalúrgicos, sin embargo estas zonas negras no
son completamente poros, están compuestas en parte por grafito nodular; esto se
comprobó mediante análisis EDS. En la figura 13 se aprecia la zona central del
poro que se encuentra recubierta por grafito nodular.
Durante el proceso de pulido de las probetas, tipo espejo, el grafito se desprende
del material debido a las fibras de los paños, lo cual produce una perspectiva
hueca en la zona central del poro donde también existe presencia de grafito, el
cual es el responsable de que en el proceso de sinterización se formen cuellos
delgados y alargados con presencia de poros.
5
K.S. Narasimhan. Sintering of powder mixtures and the growth of ferrous powder metallurgy.
Materials Chemistry and Physics, Vol. 67, No. 1-3, 2001
30
Figura 13. Micrografías de guía de válvula de MVM (500X).
Grafito nodular
Ferrita
Poro
Probeta 1
Perlita
Probeta 2
Cobre
Microestructura de referencia5
Probeta 3
Las zonas más claras en las micrografías de la figura 13, corresponden a ferrita,
también se evidencia la presencia de perlita, en menor cantidad que la ferrita, la
perlita está compuesta de cementita y ferrita. La perlita se aprecia en las imágenes
a 500X con forma de huella dactilar y de aristas redondeadas. Esta
microestructura compuesta de ferrita, perlita y cobre mejora las propiedades
mecánicas como la dureza y la resistencia5.
Como se observa en las cuatro imágenes de la figura 13, el cobre se fundió a la
temperatura de sinterización. Normalmente el cobre funde a 1082 ºC y en el
proceso de sinterización se realiza a una temperatura de 1120 ºC; el cobre líquido
penetra a través de los límites de grano que conducen a la expansión del
componente donde se aloja. La disolución y la precipitación del cobre generan una
microestructura con granos más grandes que dan la perspectiva de alojamiento
del componente5.
31
Figura 14. Micrografías de guía de válvula comercial (500X).
Hojuela grafito
Ferrita
Probeta 1
Probeta 2
Perlita
Probeta 3
Microestructura Teórica ASTM
En la figura 14 se presentan las micrografías a 500X de las guías de válvulas
comerciales y la microestructura teórica del handbook de la ASTM, se observa una
fundición gris de tipo laminar, donde el carbono se encuentra una parte como
grafito y otra como carbono formando la perlita. El grafito adopta formas
irregulares tipo hojuelas, de acuerdo a la norma ASTM A247, que describe el tipo
y tamaño de hojuelas y las clasifica en 5 tipos denominadas A, B, C, D, E.
Mediante observaciones de microscopia a 100X, se determinó que el grafito de la
guía de válvula comercial corresponde a los tipos A y B, donde A presenta
distribución uniforme y orientación al azar y B presenta agrupación en rosetas6.
Las hojuelas de grafito de gran longitud, perteneciente a la distribución uniforme
de tipo A, interrumpen la matriz ferritico-perlítica provocando concentración de
6
SÁNCHEZ Fabiola, Hinojosa Moisés, GONZALES Virgilio. Hojuelas de grafito en un hierro
fundido gris: Análisis fractal y estadístico. Universidad San Nicolás de la garza, N.L., México. Enero
– marzo 2001. Ingenierías.
32
tensiones. La estructura en forma de roseta está compuesta por hojuelas más
pequeñas y finas de grafito, que mejoran la resistencia de la fundición, en las
imágenes de la figura 14, a los lados de las finas hojuelas de grafito se encuentran
en una tonalidad un poco oscura la presencia de perlita, el resto de la estructura
está formada de ferrita, la cual se presenta en gran cantidad y se puede apreciar
como la zona blanca. En la fundición también se observó FeMn (ferro
manganeso), el cual ocasiona que el grafito se agrupe en la estructura del tipo
roseta.
En general, la presencia de grafito en cantidad importante baja la dureza, la
resistencia y el módulo de elasticidad y reduce la ductilidad, tenacidad y
plasticidad. En cambio mejora la resistencia al desgaste, la corrosión y la
maquinabilidad6.
También se identificaron estructuras perlíticas que se alternan en láminas de
ferrita blanda con láminas de cementita de alta dureza. Se observó que bajo la
influencia de tensiones cortantes se produce deformación plástica prácticamente
solo en las láminas de ferrita donde las dislocaciones pueden moverse con relativa
facilidad. Cuanto más finas son las láminas de ferrita, más restringido es el
movimiento de las dislocaciones debido a la rigidez de las láminas de ferrita. Esto
explica por qué la ductilidad de la perlita aumenta y su correspondiente dureza
disminuye al incrementarse el espesor de las láminas de ferrita7.
En la tabla 3 se muestran los resultados de porcentaje de poros por área para
cada probeta, donde se observa que la probeta 3 tiene el mayor porcentaje de
porosidad con el 13.2%, mientras que la probeta 1 tiene el menor valor con el
9.5% y finalmente la probeta 2 se encuentra con una cantidad intermedia del
11.5%.
Cuadro 3. Porcentaje de poros del material de las guías.
Poros
Probeta
(%)
1
9.5
2
11.5
3
13.2
7
g. Frades, Y. FIDALGO, L. Vélez y J.C. Brito. Sinterizados hierro-grafito: cambios dimensionales
y propiedades. Centro de Tecnología Avanzada (CIATEQ, A. C.), Calzada del Retablo 150, Colonia
FOVISSTE, C.P. 76150, Querétaro, Qro. Centro de Investigaciones Metalúrgicas (CIME), Av. 51
No. 23611, Municipio La Lisa, Ciudad de la Habana, Cuba.
33
Se realizó de manera comparativa, un estudio de porcentaje de porosidad por área
del material de la guia de MVM, para determinar en que zona de la guia la
porosidad era mayor. Como se dijo anteriormente estas zonas porosas contienen
grafito.
Figura 15. Porcentaje de porosidad por área del material de MVM a (50X)
Probeta
Probeta
2
1
Probeta
3
En la figura 15 se observa las micrografias a 50X de las probetas de la guia de
MVM, las cuales fueron contrastadas con ayuda del software analizador de
imagen pro-plus.
En este caso es satisfactorio este resultado, pues era el que se esperaba, debido
a que en el momento del prensado del material en polvo, este se vierte en un
molde y se compacta con dos punzones, como se observa en la figura 16. La
presión que se aplica en la compactación proporciona una mejor distribucion de
34
los polvos, reduciendo el volumen de poros, la cual elimina los puentes formados
durante el llenado. A mayor presion las partículas se deforman plásticamente,
ocasionando que el área de contacto aumente. Por lo tanto, el área media es la
zona con menor compactación de partículas.
Figura 16. Molde de compactación.
Fuente: Mikell P. Groover. Fundamentos de manofactura moderna, tercera
edición, McGraw-Hill 2007.
Los poros se presentan de forma alargada, logrando que las puntas agudas de los
poros desaparezcan y se tornen redondas, esto brinda una mejor resistencia al
material, debido a que se reducen concentradores de esfuerzos, lo cual a su vez
reduce la probabilidad de inicio de nucleacion de grietas.
El estudio de porosidad no se le realizó a las probetas comerciales, puesto que
éstas se fabrican con el proceso de fundición y no se presenta este fenómeno.
7.2
MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO, SEM – EDS
Las imágenes de SEM y analisis de EDS de las probetas de la guia de MVM,
fueron tomadas a 250X. En la figura 17 se puede apreciar la micrografía de la
probeta 3, correspondiente a la zona del medio de la guía. Se hizo un análisis EDS
en 6 puntos diferentes de la zona mostrada, el cual presentó un resultado en
35
proporción porcentual del peso atómico de los elementos encontrados: Carbono
(C), Hierro (Fe) y Cobre (Cu).
Estos puntos eran de particular interés por parte de la empresa MVM para
corroborar si la composicion elemental en las regiones seleccionadas para el
análisis por EDS, correspondía con la composición de la mezcla original usada
por la empresa para la fabricación de las guías MVM. Originalmente se empleó
una mezcla de Hierro (Fe), Grafito (C) y Cobre (Cu).
Figura 17. Micrografías SEM y análisis por EDS de la probeta 3 a 250X de
MVM.
Elemento
(%)
Espectro
C
Fe
1
96.53
3.47
2
96.25
1.01
2.74
3
54.60
1.59
43.81
4
53.90
1.34
44.75
5
52.41
47.59
6
46.28
53.72
36
Cu
En la figura 18 se observa el espectro EDS 1 de la probeta 3, correspondiente a
un poro, donde se encontraron picos de gran intensidad de Carbono (C con
96.53% de peso atomico (Wt.)), en menor proporción hierro (Fe con 3.47% Wt.).
Este resultado indica que en los poros quedó alojado grafito durante la
compactación, que no se disolvió en la sinterizacion.
Figura 18. Análisis por EDS de la probeta 3 a 250X de MVM; Spectrum 1.
En la figura 19 se presenta el espectro EDS 3 de la probeta 3, con un pico alto de
Cobre (Cu con 43.81% Wt.), en menor proporcion Carbono (C con 54.60% Wt.) y
finalmente en minima proporcion el hierro (Fe con 1.59% Wt.). Este resultado
indica que durante la sinterización, el cobre pasa a estado líquido y penetra a
37
través de los límites de grano hasta una zona donde finalmente se aloja y se
expande8.
Figura 19. Análisis por EDS de la probeta 3 a 250X de MVM; Spectrum 3.
Las imagenes SEM y análisis de EDS de las probetas de la guia comercial, fueron
tomadas a 500X. En la figura 20 se aprecia la micrografía de la probeta 3
correspondiente a la zona del medio de la guía, se hizo un análisis EDS a 3 puntos
diferentes de la zona mostrada, el cual presenta un resultado en proporción
8
MIKELL P. Groover. Fundamentos de manofactura moderna, tercera edición, McGraw-Hill 2007.
38
porcentual del peso atómico de los elementos encontrados, como Carbono (C),
Hierro (Fe), Manganeso (Mn), Azufre (S) y Silicio (Si).
Figura 20. Micrografías SEM y análisis EDS de la probeta 3 a 500X comercial
Espectro
1
2
3
C
35.40
78.05
27.40
Si
Elemento
(%)
S
22.31
0.55
2.00
Mn
36.07
Fe
6.21
21.40
70.60
En la figura 21 se puede ver el espectro EDS 1 de la probeta 3, donde se observa
un alto contenido de manganeso (Mn con 36.07% Wt.) con un valor cercano el
carbono (C con 35.40% Wt.), tambien encontró azufre (S con 22.31% Wt.) y en
menor proporción hierro (Fe con 6.21% Wt.). Este resultado indica la aparición de
carburos de ferro manganeso (Fe Mn), que ocasiona que el grafito se agrupe en la
estructura del tipo roseta, además en la estructura se puede apreciar abundante
perlita.
39
Figura 21. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X comercial; Spectrum 1.
7.3
DUREZAS
Se realizaron mediciones de durezas Rockwell B (HRB) y Vickers (HRV) a las
probetas de las guías comerciales y a las guías de MVM. En la tabla 4 se
presentan los resultados.
40
Cuadro 4. Dureza HRB de guías de válvulas
Indentacione
s
1
2
3
Promedio
Desviación
Estándar
Error
Estándar
Probeta
s HRB
Comercia Comercia Comercia
MVM 3
l1
l2
l3
67,6
99,9
99,5
98,9
68,8
100,4
98,4
99,5
68,1
99,7
99,7
99,2
68,1
100
99,2
99,2
MVM 1
MVM 2
72,1
70,7
71,9
71,5
69,5
70,5
70,1
70
0,757
0,503
0,602
0,36
0,7
0,3
0,437
0,29
0,347
0,207
0,404
0,173
Figura 22. Dureza HRB Vs tipo de material
Se observa en los resultados del gráfico 1 y la tabla 4, los valores de dureza de las
probetas de la empresa MVM y la comercial, donde son mayores las durezas
medidas en las probetas comerciales. También se puede apreciar que el valor de
dureza entre las tres probetas de la guía comercial es similar, esto se debe a que
la composición del material es homogénea y que es una característica de los
materiales elaborados por proceso de fundición.
41
En la guía suministrada por MVM, se obtuvo una dureza más baja frente a las
guías comerciales, y una variación de dureza entre las tres probetas, esto se debe
a que el material es poroso, se encontraron muchas irregularidades en el material,
tales como la presencia de partículas aisladas de cobre, las cuales se pueden
asociar al proceso de fabricación por pulvimetalurgia.
También se comprobó en el microscopio que en las probetas de la guía de la
empresa MVM, la porosidad es mayor en la parte media de la guía.
Cuadro 5. Dureza Vickers (HVN) de las probetas
Indentaciones
1
2
3
4
5
Promedio
Desviación
Estándar
Error estándar
Figura 23.
dureza.
Probetas HVN
MVM 3
Comercial 1
389
219
611
310
579
227
464
236
537
328
516
264
MVM 1
604
702
678
615
731
666
MVM 2
445
315
389
403
342
379
Comercial 2 Comercial 3
272
275
290
282
347
318
287
291
309
349
301
303
55,02
51,23
89,82
50,97
28,89
30,45
24,6
22,91
40,16
22,79
12,92
13,61
Gráfico Durezas Vickers vs tipo de material para prueba de
42
Los resultados mostraron que las probetas de la guia de MVM presentaron mayor
micro dureza, respecto a las probetas de la guia comercial, como se observa en el
gráfico 2 y en la tabla 5. También se muestra la desviación estandar y el error
estandar de la dureza tomada a cada probeta. La probeta que presentó menor
variación de datos fue la probeta comercial 2, de igual manera se puede observar
que las probetas de la guia comercial presentaron menor variación de datos entre
ellas y éste fue el material que presentó menor porcentaje de porosidad, ya que el
resultado de la microdureza se ve afectado por la baja homogeneidad de la
superficie del material.
Los datos reportados por la prueba de Microdureza Vickers, establecen que la
microestructura de las guias sinterizadas de MVM, es más dura que la de las guias
fundidas comerciales, sin embargo su homogeneidad aún puede mejorarse, ya
que la desviación estandar es más alta que para las guias fundidas.
Al involucrar la porosidad, las guias sinterizadas MVM reducen su dureza
promedio por debajo de la dureza de las guias fundidas, por tal razón en el ensayo
de Macrodureza HRB, el reporte de dureza de las guias MVM, fue menor en todos
los casos que las guias fundidas.
7.4
PRUEBA DE DESGASTE
Se realizaron pruebas de pin on disk para medir la resistencia al desgaste en seco
de las probetas. Los parámetros con los que se realizaron las pruebas se
encuentran consignados en la tabla 6, los coeficientes de fricción promedio y la
pérdida de masa de cada probeta se muestran en las tablas 7 y en los gráficos 3,
4 y 5, el coeficiente de fricción vs recorrido de cada probeta.
43
Cuadro 6. Parámetros utilizados en la prueba de desgaste (pin on disk).
Parámetro
Valor
Acabado superficial de la probeta
Recorrido (m)
Velocidad de prueba (r.p.m.)
Tipo espejo
1000
200
Radio de la pista (mm)
5.5
Carga aplicada (N)
10
Cuadro 7. Coeficiente de fricción promedio y pérdida de masa de las
probetas
Probetas
Coeficiente
de fricción
()
Pérdida de
masa
(g)
Comercial 1
0,6152
0,0033
Comercial 2
0,4261
0,0012
Comercial 3
0,5228
0,0018
MVM 1
0,5739
0,0103
MVM 2
0,4984
0,0124
MVM 3
0,7454
0,0187
44
Figura 24. Gráfico Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 1
Figura 25. Gráfico Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 2
45
Figura 26. Grafico Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 3
En la tabla 7 se observa que hay una diferencia considerable en la pérdida de
masa por parte de las probetas de la guia de MVM, respecto a la pérdida de masa
por parte de las probetas de la guia comercial, asi mismo se puede ver la relación
proporcional que presenta la pérdida de masa y el coeficiente de friccion promedio
de las probetas, donde para cada grupo de probeta, a mayor coeficiente de
fricción mayor es la pérdida de masa.
En el gráfico 3 se muestra el coeficiente de fricción vs recorrido para las probetas
1 tanto de la guia comercial como la guia de MVM, se observa que el coeficiente
de fricción de la probeta comercial es mayor que el de probeta de MVM.
En los gráficos 4 y 5 se observa que el coeficiente de fricción en las probetas de
MVM es mayor que el de las probetas comerciales, en estas últimas se puede ver
que las gráficas presentan un valor que tiende a ser constante en el recorrido de la
prueba lo cual no se presentó en las probetas de MVM.
46
Figura 27. Micrografías de guía de válvula MVM.
Imagen 1. Alta cantidad de particulas
Abrasión
Micro soldadura
Imagen 2. Abrasión
Imagen3. Micro soldadura
En la figura 22 se observa la probeta al momento después de terminar el ensayo
de pin on disk, donde se aprecia gran cantidad de partículas desprendidas del
material de la probeta, consecuente con la pérdida de material reportada en la
tabla 7, se evidencia dos tipos de desgaste, en la imagen 3 se observa partículas
más claras que corresponden al material desprendido de las guías, que indican
que se generó micro soldadura o degaste de tipo adhesivo, en la imagen 2 se
observa sobre la huella dejada por el pin unas líneas de talladura con profundidad
producida por la abrasión entre partículas.
47
Figura 28. Micrografía de guía de válvula comercial
Deformación plástica
En la figura 23 se observa la probeta tras finalizar el ensayo de pin on disk, la cual
presentó poco desprendimiento de material, consecuente con los datos reportados
en la tabla 7. En esta imagen se evidencia la deformación plástica dejada por el
pin sobre la guía de válvula, se observan aristas protuberantes creadas por la
deformación atribuida a la diferencia de dureza entre el pin y la probeta debido a
que la guía está fabricada con un material más dúctil que el balín.
Con los datos obtenidos de las pruebas de dureza y desgaste, se evidenció que la
dureza tiene relación con la pérdida de masa. Otra propiedad que también influye
es la porosidad, la cual se ve reflejada en el aumento de los picos presentes en las
gráficas, debido a las vibraciones creadas por la superficie irregular de cada
material. Dicho aumento es proporcional al aumento de la porosidad, lo que
conlleva a una mayor pérdida de masa.
48
8 CONCLUSIONES.

Con la caracterización microestructural de la guía de hierro grafitado
pulvimetalúrgico, se pudo determinar que parte del grafito de la aleación, se
queda alojado en los poros y no se disuelve durante la sinterización.

La dureza de la guía de hierro grafitado pulvimetalúrgico, fue menor
comparada con la guía comercial fundida lo cual se debe a la porosidad
característica de las piezas sinterizadas y al fenómeno del grafito alojado en
los poros.

En el desgaste por deslizamiento en seco de la guía de hierro grafitado, se
presentó el mecanismo combinado de abrasión y adhesión de las partículas
desprendidas, mientras que en la guía fundida se presentó el fenómeno de
deformación plástica con poco desprendimiento de partículas, causando menor
desgaste en términos de pérdida de masa.

De acuerdo a los resultados obtenidos, el desempeño mecánico – tribológico
de la guía de hierro grafitado pulvimetalúrgico, es menor comparado con la
guía comercial fundida que se usa actualmente en los motores diesel y por lo
tanto aún no cumple los requerimientos competitivos y debe mejorarse.
49
9 RECOMENDACIONES
Estudiar los efectos de la presión en los procesos de compactación y sinterización,
para disminuir la presencia de poros e incrementar el ancho del cuello que se
forma al unirse los granos, también controlar la cantidad de grafito, esto mejorará
las propiedades del material y disminuirá coeficiente de fricción.
50
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la garza, N.L., Mexico. Enero – marzo 2001. Ingenierías.
SHINGU PH, Huang B, Nishitani SR, Nasu S. Suppl Trans Japan Inst Metals 1988.
52
ANEXOS
Se tomaron micrografías SEM y espectros de todas las probetas analizadas de la
empresa MVM y de las comerciales; se colocan como anexos.
Anexo A. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X comercial; Spectrum 2.
En el anexo A se puede ver el espectro EDS 2 de la probeta 3, donde se observa
un alto contenido de Carbono (C con 78.05% Wt.), tambien se encontró Hierro (Fe
con 21.40% Wt.) y en menor proporcion Silicio (Si con 0.55% Wt.).
53
Anexo B. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X comercial; Spectrum 3.
En el anexo B se puede ver el espectro EDS 3 de la probeta 3, donde se observa
un alto contenido de Hierro (Fe con 70.60% Wt.), Carbono (C con 27.40% Wt.) y
en menor proporcion Silicio (Si con 2.00% Wt.).
54
Anexo C. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 2.
En el anexo C se puede ver el espectro EDS 2 de la probeta 3, donde se observa
un alto contenido de Carbono (C con 96.25% Wt.) Hierro (Fe con 1.01% Wt.) y
Cobre (Cu con 2.74% Wt.).
55
Anexo D. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 4.
En el anexo D se puede ver el espectro EDS 4 de la probeta 3, donde se observa
un alto contenido de Carbono (C con 53.90% Wt.), con un valor tambien alto de
Cobre (Cu con 44.75% Wt.) y Hierro (Fe con 1.34% Wt.).
56
Anexo E. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 5.
En el anexo E se puede ver el espectro EDS 5 de la probeta 3, donde se observa
un alto contenido de Carbono (C con 52.41% Wt.), con un valor tambien alto de
Hierro (Fe con 47.59% Wt.).
57
Anexo F. Análisis por EDS de la probeta 3 a 500X MVM; Spectrum 6.
En el anexo E se puede ver el espectro EDS 5 de la probeta 3, donde se observa
un alto contenido de Hierro (Fe con 46.28% Wt.) y con un valor tambien alto de
Carbono (C con 53.72% Wt.).
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