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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
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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
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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.
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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.
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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
7
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
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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
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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
10
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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
2JARAMILLO 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.
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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?.
3Alibaba, 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
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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
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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.
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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
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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 en línea http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html
5.2 MATERIALES UTILIZADOS EN METALURGIA DE POLVOS
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
Guía Referencia Diámetro
(mm) Espesor
(mm)
Longitud
(mm)
Exterior Interior
MVM M - 3563 12,7 8 2,35 63,1
Comercial 512-1557-z 12,7 7,9 2,4 62,8
7.1 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
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Figura 13. Micrografías de guía de válvula de MVM (500X).
Probeta 1 Probeta 2
Probeta 3 Microestructura de referencia5
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.
Cobre
Ferrita
Perlita
Grafito nodular
Poro
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Figura 14. Micrografías de guía de válvula comercial (500X).
Probeta 1 Probeta 2
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.
Hojuela grafito
Perlita
Ferrita
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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.
Probeta Poros (%)
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.
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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 1
Probeta 2 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
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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
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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.
Espectro Elemento
(%)
C Fe Cu
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
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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
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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.
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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 Elemento
(%) C Si S Mn Fe 1 35.40 22.31 36.07 6.21
2 78.05 0.55 21.40
3 27.40 2.00 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.
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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.
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Cuadro 4. Dureza HRB de guías de válvulas
Indentaciones
Probeta
s HRB
MVM 1 MVM 2 MVM 3
Comercial 1
Comercial 2
Comercial 3
1 72,1 69,5 67,6 99,9 99,5 98,9 2 70,7 70,5 68,8 100,4 98,4 99,5 3 71,9 70,1 68,1 99,7 99,7 99,2
Promedio 71,5 70 68,1 100 99,2 99,2 Desviación Estándar
0,757 0,503 0,602 0,36 0,7 0,3
Error Estándar
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.
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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 Probetas HVN
MVM 1 MVM 2 MVM 3 Comercial 1 Comercial 2 Comercial 3
1 604 445 389 219 272 275 2 702 315 611 310 290 282 3 678 389 579 227 347 318 4 615 403 464 236 287 291 5 731 342 537 328 309 349
Promedio 666 379 516 264 301 303 Desviación Estándar
55,02 51,23 89,82 50,97 28,89 30,45
Error estándar 24,6 22,91 40,16 22,79 12,92 13,61
Figura 23. Gráfico Durezas Vickers vs tipo de material para prueba de dureza.
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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.
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Cuadro 6. Parámetros utilizados en la prueba de desgaste (pin on disk).
Parámetro Valor
Acabado superficial de la probeta Tipo espejo
Recorrido (m) 1000
Velocidad de prueba (r.p.m.) 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
45
Figura 24. Gráfico Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 1
Figura 25. Gráfico Coeficiente de fricción Vs Recorrido de la probeta 2
46
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.
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Figura 27. Micrografías de guía de válvula MVM.
Imagen 1. Alta cantidad de particulas
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.
Micro soldadura
Abrasión
48
Figura 28. Micrografía de guía de válvula comercial
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.
Deformación plástica
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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.
50
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.
51
BIBLIOGRAFÍA Aficionados a la mecánica, disponible en línea, http://www.aficionadosalamecanica.net/motor-distribucion.htm, consultado el 26 de Febrero de 2014. ALBA DE SANCHEZ, Nelly; CAÑIZALES, Juan Pablo y SÁNCHEZ STHEPA, Héctor. Mecanosítesis de carburo de titanio. Santiago de Cali, 2004. p.10-11. Proyecto de investigación profesoral. Universidad Autónoma de Occidente, Universidad del Valle. Facultad de ingenierías. Alibaba.Com [en línea][consultado Enero de 2014]Disponible en internet: 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 ASKELAND D.R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 3 ed. México: International Thomson Editores, 1998. CALLISTER D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Vol 2. Mexico, Editorial Reverté S.A. 1996. 721p. ERMAKOV S.S. y Vyaznikov N.F. Aceros y piezas pulvimetalúrgicos. Leningrado: Fabricación de piezas metálicas sinterizadas y cojinetes autolubricados, [en línea][consultado Enero de 2014]Disponible en internet: http http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html, consultado el 15 de octubre de 2013. 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. GULIAEV A.P. Metalografía. Moscú: Metalurgia, 1986.
52
JARAMILLO SUAREZ, Héctor Enrique; ALBA DE SANCHEZ, Nelly 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. K.S. Narasimhan. Sintering of powder mixtures and the growth of ferrous powder metallurgy. Materials Chemistry and Physics, Vol. 67, No. 1-3, 2001 MALISHEV, A.I; NIKOLAIEV, G.N. y SHUVALOV, Y.A. Tecnología de los Metales. Moscú: Mir, 1975. Manual Höganäs para componentes sinterizados, Empresa Höganäs PM-school, Manual 1: Propiedades de los materiales.Mashinostrienie, 1990. MIKELL P. Groover. Fundamentos de manofactura moderna, tercera edición, McGraw-Hill 2007. Peter W. Lee. Powder Metal Technologies and Applications, Volume 7 of ASM Handbook, 1998. PRASANTA KUMAR Bardhan1, Suprs Patra, Goutam Sutradhar. Analysis of Density of Sintered Iron Powder Component Using the Response Surface Method. Materials Sciences and Applications, 2010, 1, 152-157. Department of Mechanical Engineering, JIS College of Engineering, Kalyani, India; Cwiss, IIT Kharagpur, West Bengal, India; Department of Mechanical Engineering, Jadavpur University, Kolkata, India. SÁNCHEZ Fabiola, HINOJOSA Moisés, GONZALES Virgilio. Hojuelas de grafito en un hierro fundido gris: Analisis fractal y estadístico. Universidad san nicolas de la garza, N.L., Mexico. Enero – marzo 2001. Ingenierías. SHINGU PH, Huang B, Nishitani SR, Nasu S. Suppl Trans Japan Inst Metals 1988.
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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.).
54
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.).
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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.).
56
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.).
57
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.).
58
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.).