Analisis de Falla de Un Motor

7/16/2019 Analisis de Falla de Un Motor

1/8

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIMY CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECNICA 2007

19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MXICOA3_52

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edicin: 2007 D.R.2006. Sociedad Mexicana de Ingeniera Mecnica, A.C.391

ANLISIS DE FALLA DE UN MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA DE USOAUTOMOTRIZ

Armando Ortiz Prado, Vctor H. Jacobo Armendriz, Efran Ramos Trejo, Ubaldo E. Mrquez AmadorUnidad de Investigacin y Asistencia Tcnica en Materiales

Departamento de Manufactura y Materiales, Facultad de Ingeniera, UNAM

Laboratorios de Ing. Mecnica, Ing. Alberto Camacho Snchez, Anexo de Ingeniera, Ciudad UniversitariaCoyoacn, Mxico, D.F. C.P 04510Tel. 56228057 E-mail: [email protected]

RESUMENEn el presente reporte se analiza la falla de un motorde combustin interna empleado como planta motrizde una camioneta tipo Mini-Van. El motor sufri lafractura de dos de sus bielas. Del anlisis de la falla sedeterminan una serie de acciones correctivas en loque se refiere a la operacin del motor y la

manufactura de algunos de sus componentes. Deaplicarse estas recomendaciones el problema que seanaliza no deber presentarse en el futuro.Palabras clave:Bielas fracturadas, motor de combustin, anlisis de falla

ABSTRACTThis paper analyses the failure of an internalcombustion engine used in a Mini Van, which endurethe fracture of two connecting rods. Severalcorrective actions were determinate from the failureanalysis, such as manufacture and engine operation. Ifthese recommendations will be put in use in the

future may not allow this kind of situations again.KeywordsConnecting rod, combustion engine, failure analysis

INTRODUCCINEl problema que se presenta este trabajo correspondea la falla de un motor de gasolina (MCI), la cualconsisti en la fractura de dos bielas. Se trata de unmotor V-6 de 3.3-litros 24-vlvulas, el cual alcanza sumximo par entre las 3500 y 4000 rpm mientras quesu potencia lmite se bica alrrededor de las 6000rpm. Para la realizacin del estudio se cont con elmotor parcialmente ensamblado.

METODOLOGAPara el estudio se sigui la metodologa del Anlisisde Falla (AF) (Brooks, 1993; Das, 1997, Cerrud et al,2002, Metals Handbook, 1986), con lo que elprocedimiento empleado para el presente casoconsisti en:

a) Anlisis de la informacin tcnica referente a lascondiciones de operacin de la planta de fuerzaen estudio

b) Revisin macroscpica de los elementos falladosy del dao presente en el motor ensamblado;correlacionando las bielas con la secuencia deencendido de la mquina.

c) Desensamble del motor para inspeccin de daoy recuperacin de partes deterioradas.

d) Inspeccin a bajos aumentos de; bielas, metalesde biela y bancada, pistones, camisas, cigeal y

monoblocke) Fractografa de las piezas falladas.f) Anlisis qumico y metalogrfico de las bielas.g) Determinacin de las propiedades mecnicas de

elementos crticos.h) Anlisis de datos recabados y determinacin de

la secuencia de eventos que llevaron a la fallai) Definicin de las acciones de mejora, tanto en lo

que se refiere a diseo, manufactura y operacindel motor.

INSPECCIN MACROSCPICA ENDIFERENTES ELEMENTOS DEL MOTOR

En primera instancia se procedi a la inspeccin delmotor con la finalidad de determinar el dao sufrido ylas causas aparentes de ste; reconociendo lasdiferentes partes de la mquina que presentandeterioro evidente a simple vista: De la primerainspeccin se determin que tanto el monoblock, lascabezas y depsito de aceite eran de aluminio,tratndose de piezas coladas, por su parte el cigeales de fundicin y las bielas aparentemente procedende forja, mientras que los metales tanto de bancadacomo de biela son de aleacin de aluminio conrespaldo de acero. En las fotografas 1 y 2 sepresentan vistas del motor despus de haber retiradolas cabezas. En la fotografa 3 se presentan detalles dela falla de la biela, mientras que en la fotografa 4 semanifiestan los daos que gener al biela aldesprenderse y golpear al monoblock.


2/8




Fotografa 1. Vista lateral del motor todava concigeal y bielas.

(2a)

(2b)

Fotografas 2a - 2b. Fractura del depsito de aceite(fotografa 2a, vista general, 2b detalle de la zonafracturada), las superficies y geometra de sta,muestran que se debi a un golpe que recibe la piezadesde el interior (biela 4)

Fotografa 3. Considerando el aspecto se concluye queambas bielas se rompieron, en primera instancia por flexin.

La fractura inicia en el barreno de lubricacin (lado

izquierdo de la imagen).

(4a)


3/8




(4b)Fotografas 4a y 4b. Se observa claramente el los

efectos producidos al golpear, la biela ya fracturadasobre el monoblock (4a). Despus de fracturarse la

biela 2 y permanecer girando golpeando elmonoblock, se fractur en el cambio de seccin,incrustndose un sector de sta en un costado delmonoblock (4b). Asimismo se nota que no existe

deterioro en los metales de bancada y que ellubricante se encuentra en aparente buen estado.

De la inspeccin del motor se concluye que sepresent fractura frgil en la parte media de las bielas2 y 4, que ests al seguir girando el motor presentaronnuevas fracturas, donde los pedazos desprendidos

causaron a su vez la fractura del semicarter y ladeformacin de la charola de lmina de acero que vasobre sta. Asimismo uno de los pedazos de la bielados se encontr incrustado en la pared del monoblock.Por otra parte entre los anillos y los pistones seobservaron depsitos de holln no usuales en unmotor con tan pocas horas de servicio (menos de 600horas), los cuales se pueden relacionar con una bajaviscosidad del lubricante empleado. Estos depsitosse pueden considerar como un precursor en laformacin de lodos en el aceite, situacin que setraduce en fallas de la lubricacin (Taylor, 1995).

RESULTADOS DE LOS ESTUDIOSREALIZADOS

Anlisis qumicoSe realiz ste mediante espectroscopia de emisinptica, tomando dos bielas; una que hubiera sufridofractura, y como referencia otra que no present dao.Los resultados del anlisis fueron similares y sepresentan en la tabla 1.

Tabla 1. Composicin qumica de biela muestra

ElementosC%

Si%

Mn%

P%

S%

Cr%

Mo%

Composicin 0.648 0.0176 0.1412 0.0104 0.0069 0.0226 0.0367

ElementosNi%

Al%

Co%

Cu%

Ti%

Pb%

Fe%

Composicin 0.0173 0.0090 0.0024 1.642 0.002 0.0056 97.4

La composicin del acero empleado en la fabricacinde la biela es muy particular en funcin. de su elevadocontenido de cobre, el cual influye en la tenacidad yresistencia del material. No se trata de ningunacomposicin estandarizado en lo que se refiere aaceros para colada o para forja; sin embargo, el cobrese emplea como fase aglomerante para procesos depulvimetalurgia.

DurezaCon la finalidad de correlacionar las propiedadesmecnicas de las bielas se obtuvo la dureza tanto delos especimenes fallados como del la biela que setom como referencia, esto de acuerdo a la normaASTM E 18-98. Los resultados se presentan en lastabla 2.

Tabla 2. Dureza Rockwell escala C para las tres bielasPieza 2

FracturadaPieza 3

ReferenciaPieza 4

Fracturada27.6 29.1 22.526.1 30.3 22.525.1 29 19.1

27.7 28.2 22.429.3 29.4 20.827.16 29.2 21.46

Considerando la relacin de dureza con el lmite decedencia se estima que las bielas tienen unaresistencia del orden que se indica en la tabla 3.

Tabla 3. Resistencia de bielasPieza 2

FracturadaPieza 3

ReferenciaPieza 4

Fracturada92 Kg/mm2 97 Kg/mm2 83 Kg/mm2

Resulta evidente que existen diferencias importantes(16%) en las propiedades mecnicas de las bielas,situacin que influye en la confiabilidad del materialy condicin inaceptable para una pieza crtica en unsistema como lo es la biela para el motor decombustin.


4/8




Anlisis de las superficies de fractura(fractografa)

En este anlisis se realiz la inspeccin en tres etapas:a. Revisin de las secciones proporcionadas a

1X con la finalidad de determinar zonas concaractersticas particulares que proporcioneninformacin con respecto al tipo de fracturay zonas(s) de inicio, las cuales sean factiblesde una inspeccin con mayor detalle.

b. Inspeccin a bajos aumentos (6.3 a 32X),con la finalidad de determinar regionescaractersticas y de inicio de falla; para conesto proceder a su inspeccin mediantemicroscopa electrnica de barrido.

c. Inspeccin mediante microscopa electrnicade barrido.

(5a)

(5b)Fotografa 5a y 5b. Comparacin de biela sin dao

con biela 2 (5a), y de la biela 4 (5b). Se observa quefaltan secciones de las piezas. La superficie de las

bielas muestran el efecto de granallado, operacinorientada a mejorar la resistencia a la fatiga de la

pieza.

Fotografa 6. Superficie de fractura de la seccin de labiela 2 que despus de desprenderse se incrust en el

monoblock (fotografa 4b). Se observa claramenteque la fractura (frgil) se inicio en el lado izquierdo

de la imagen y corresponde con el sentido de rotacindel cigeal.

Estudio metalogrficoCon la finalidad de correlacionar las propiedadesmecnicas con la microestructura de las bielas seprocedi a su preparacin para inspeccinmetalogrfica, para lo cual se siguieronprocedimientos estndar. Las muestras fueroninspeccionadas tanto con ataque qumico (Nital 3)como las obtenidas directamente de pulido,obtenindose lo que se muestra en las fotografas 7-11

Fotografas 7. Biela 4 sin ataque, se observa claramente

porosidad (en la fase aglomerante) as como una red entono claro que rodea a los cristales de perlita. El tipo de

microestructura en conjuncin con el alto contenido de

cobre confirma que la biela ha sido producida por un

proceso de pulvimetalurga. En las otras bielas

inspeccionadas la microestructura es similar con la

observada en la biela 4 sin embargo la fraccin de

porosidad es menor.


5/8




Fotografa 8. Biela 3, resulta evidente que laporosidad se incrementa hacia la superficie de lapieza, situacin comn en piezas provenientes de

pulvimetalurga, pero la cual influyedesfavorablemente las propiedades mecnicas

requeridas para el tipo de servicio.

Fotografa 9. Biela 2, el granallado causa unadeformacin superficial en el material, la cual

pretende mejorar la resistencia a la fatiga de la piezasin embargo en conjunto con un elevado grado de

porosidad en la superficie se favorece la presencia demicrogrietas, situacin que influye negativamente con

relacin al efecto buscado.

Fotografas 10 Microestructura tpica de las bielas(2000x). Se trata de una estructura de perlita muy

fina. Una perlita tan fina se traducir en una elevadaresistencia del material.

PULVIMETALURGIA DE ALEACIONESACERO-COBREEl uso del cobre en sinterizado de hierro y acero esmucho ms usual (Metals Handbook, 1984) que comoelemento de aleacin en los aceros ya que puedeservir como aglomerante y para limitar la contraccinde la mezcla durante el enfriamiento. En estasaleaciones el aglomerado se produce a travs deuniones Fe-Fe, Cu-Fe, de la fusin del cobre de lasolucin y difusin tanto del Cu en el Fe como del Feen el Cu; debiendo recordarse que la solubilidad entreestos elementos a temperatura ambiente es muy baja(menor del 0.1%), siendo del 7.5 al 9 % a

temperaturas a las que se realiza el sinterizado. Suresistencia y dureza est definida por las condicionesde sinterizado (tabla 3), contndose con una serie dealeaciones estandarizadas (tabla 4) las cualespresentan propiedades muy variables (tabla 5).

Tabla 3. Propiedades de una aleacinFe2Cu0.9C

Condicionesde

Sinterizado

Resistencia(MPa)

DurezaRockwell

B1120 C, 32

minutos975 75.6

1290C, 10minutos

964 81.3


6/8




Tabla 4 Algunas aleaciones Acero-Cobre parapulvimetalugia correspondientes al rango decomposiciones de la pieza (biela) bajo estudio.

Metal

Powder

Industries

Federation

(MPIF)

American

Society for

Testing

Materials

(ASTM)

Society of

Automotive

Engineers

(SAE)

C % Cu %

FC-0205 B783 - 0.3/0.6 1.5/3.9

FC-0208 - 864Gr1Cl3 0.6/1.0 1.5/3.9

Tabla 5 Propiedades de aleaciones Acero-Cobre

Aleacin (MPIF) ResistenciaMxima (MPa)

Esfuerzo decedencia(MPa)

Lmite de

fatiga

(MPa)

Deformacin

mxima %

Md. de

elasticidad

(GPa)

Dureza

FC-0205-30 275 240 90 Menor del 1 90 37HRBFC-0205-90HT 690 690 262 Menor del 0.5 131 36HRC

FC-0208-30 240 240 90 Menor del 1 85 50 HRBFC-0208-95HT 725 725 - Menor del 0.5 134 43HRC

FC-0208-60 517 448 200 Menor del 1 138 84HRB

La posibilidad de producir bielas forjadas ha sidoconsiderada desde los aos 60s del siglo pasado, perofue hasta 1976 en que se produjo la primera biela porpulvimetalurgia, sta para el motor del Porsche 928V8 (Metals Handbook, 1984), en particular se empleun polvo de acero (tabla 6) atomizado en agua yformado en caliente; a la fecha se sigue empleadodicha tecnologa en los modelos 928 y 944. Laaplicacin de la pulvimetalurgia en la produccin delas bielas permiti, adems de una reduccin decostos, una disminucin en el peso de stas del orden

del 10%, conservando su confiabilidad a fatiga.

Tabla 6. Caractersticas de las bielasproducidas por pulvimetalurgia para motores

de Porsche.Composicin % 0.3/0.4 Mn, 0.1/0.25 Cr, 0.2/0.3 Ni,

0.25/0.35 Mo, 0.25/0.35 C, Fe elresto

Resistencia mxima(MPa)

835/960

Dureza 28 HRCGranalladosuperficial

11/13 en escala Almen

Porosidad Menor del 0.2 %

Resistencia a fatiga(MPa) Del orden de 350

La primera aplicacin a gran escala la realiz Toyotapara el motor del Camry (1.9 L, 4 cilindros) (MetalsHandbook,1984), para lo cual inici pruebas en los70s y para 1981 se introdujo la innovacin a la lneade produccin, empleando para tal fin un polvoatomizado en agua Fe0.55C2Cu, preformado a 6.5gr/cm3 en verde, con una etapa final de formado en

caliente, sinterizando 20 min. a 1150C en unaatmsfera de gas endotrmico. Sometiendo las piezasa un tratamiento trmico despus del formado, de talmanera que se obtenga una microestructura de ferrita-perlita con una dureza Vickers de 240 a 300,sometiendo la pieza a granallado previo a lasoperaciones de maquinado. Lo anterior permitiahorros en material y energa, tanto en las etapas deforja como de maquinado; y por consiguiente unareduccin de costos, por lo que para los 90s modelosde otras compaas tambin haban adoptado ya lainnovacin (motor 4cilindros 1.9L del Escort deFord). En general el proceso de produccin porpulvimetalurgia demanda cuidados particulares sobretodo en las etapas de sinterizado y precalentamiento,as como en el rango y distribucin de la porosidad,para lograr los niveles de resistencia requeridos.

DISCUSINLa falla de un motor de combustin interna por

fractura o deformacin de las bielas se relacionausualmente con problemas de agarrotamiento, lo cualse puede deber a una falla de lubricacin,sobrecalentamiento o a una combinacin de stas.Asimismo este problema se presenta tambin por laexistencia de lquidos en la cmara de combustin, loque se traduce en sobrepresiones que conducen a lafalla de los elementos mecnicos (Taylor, 1995). Enparticular en el motor bajo estudio no existe ningunaevidencia de sobrecalentamiento o fallas delubricacin, lo cual se comprueba al observar elestado de lo metales tanto de biela como de bancada(fotografas 4a, 4b). En general los metales presentan

un deterioro mnimo, congruente con el nmero dehoras de servicio del motor. Por otra parte no seobservan cambios de tonalidad en el respaldo de losmetales o en pieza alguna que permita referir a unsobrecalentamiento del motor previo a la falla.Asimismo al evaluar el lubricante no se encontrpresencia de refrigerante y su opacidad resulta unindicativo de haber sido cambiado en fecha reciente;su viscosidad corresponde con la recomendada por elfabricante para motores nuevos (5 SW 15). De loantes expuesto se puede concluir que no existenproblemas de lubricacin, de contaminacin delubricante por efecto del refrigerante y que el

lubricante fue cambiado con frecuencia; razn por lacual la fractura de las bielas se debe a causasdiferentes de las directamente relacionadas con lalubricacin.

Del aspecto de las superficies de fractura de las bielasse concluye que sta se ha producido por la flexingenerada por una sobrecarga y de acuerdo a loobservado en bielas y camisas; y considerando lasecuencia de encendido del motor, se tiene que la


7/8




secuencia de eventos que llevaron a la falla al motorfue:

a) Fractura de la biela 4 por sobrecarga, sta serompe alrededor de su parte media.

b) Fractura de la biela 2 (debido a la secuencia deencendido), la cual igualmente falla en su zonamedia.

c) Debido a que el cigeal sigue girando lassecciones de la bielas 2 y 4, lado cigeal,previamente fracturadas, golpean almonoblock causando un deterioro severo(Fotografas 4a y 4b), as como a la charola delsemicarter (Fotografas 2a, 2b). Lo cual setraduce en una nueva fractura coincidente conel barreno de lubricacin (Fotografas 3). Lospedazos que se desprenden de la biela 4golpean al cigeal e impulsados por estefracturan al semicarter (Fotografas 2a y 2b).El sector que se desprende de la biela 2 lado

cigeal al caparse sta se incrust en elmonoblock (Fotografa 4b).

Por su parte los resultados del anlisis qumico enconjuncin con las metalografas indican que lasbielas han sido producidas por pulvimetalugia,aglomerndose una polvo de acero hipoeutectoideaproximadamente del tipo FC-0208-60, FC-0260-95HT, esto de acuerdo con la MPIF. En una piezaproducida por pulvimetalurga (densidad de 7496Kg/m3) es usual la presencia de porosidad, cuyafraccin volumtrica es funcin de la presin decompactado y de las condiciones de sinterizado. Si

bien la porosidad se puede limitar sensiblementedurante el recompactada, sta puede ser consideradacomo aceptable bajo condiciones perfectamentedefinidas las cuales no influyan negativamente en lascondiciones de servicio de la pieza producida.Considerando un muestreo a las 3 piezas analizadas,se calcul la porosidad en stas (1.36%) resultandomxima en la superficie; en donde alcanza hasta 1.8% en volumen, mientras que en algunas zonas delcentro se reduce hasta el 0.2%. Del muestreorealizado se encontr que la pieza 3 era la de mayorporosidad (sta no sufri dao), quedando la pieza 2como la menos porosa. La combinacin del

granallado con la porosidad superficial se hatraducido en algunos casos en la formacin demicrogrietas que influyen negativamente en laspropiedades mecnicas de las bielas en particular ensu resistencia a fatiga. En principio la aplicacin deun proceso de pulvimetalugia para la produccin deuna pieza como la biela se puede considerar comopoco convencional, sin embargo esta eleccinrepresenta una solucin que conjuga buenaspropiedades mecnicas (disminucin del peso) con

precisin en la manufactura; todo esto a bajo costo.De acuerdo a lo que diversos autores indican (MetalsHandbook, 1978; Taylor, 1995; Ashby, 2005) la biela,dadas sus condiciones de servicio, debiera deproducirse por forja; sin embargo se trata ste de unproceso largo, costoso y el cual presentainconvenientes en cuanto a la precisin de losproductos. A lo anterior habr que adicionar lanecesidad de un tratamiento trmico, que adems deincrementar el costo presenta inconvenientes por lasdistorsiones que en ste se pueden generar. Lapulvimetalurga por su parte es una opcin costosadesde el punto de vista de la materia prima sinembargo representa notables ahorros en cuanto a lasetapas requeridas de fabricacin y filosficamente esuna opcin para producir una pieza en un proceso deforja sin rebaba, adems de evitar, con base en elmaterial empleado la necesidad de tratamientostrmicos posteriores a la produccin de la pieza.

El mayor inconveniente que las bielas fabricadas porpulvimetalurgia presentan es la presencia demicrogrietas (Fotografias 9 y 10), producto stas de lacombinacin de la porosidad superficial con elgranallado, las cuales influyen negativamente en laresistencia a fatiga de las piezas. Sin embargo, en elcaso bajo estudio no se encontr ningn indicio degrietas en crecimiento a partir de la superficie; ycomo ya ha sido mencionado, la falla se debi a unasobrecarga, condicin bajo la cual una biela forjada sehubiera doblado en primera instancia ms quefracturarse en forma frgil, como en el caso bajoestudio.

CONCLUSIONESEn virtud de que la lubricacin fue adecuada y nohabiendo evidencia de agarrotamiento de loselementos mecnicos, la causal de sobrecarga sobrelas bielas y por ende de la falla del motor tiene querelacionarse con un elevado rgimen de revoluciones,muy superior al de mxima potencia, y claramente yaen el rango critico de operacin del motor.

En cuanto al depsito de carbn (holln) tanto en lasuperficie de pistones como entre los anillos seconsidera, de acuerdo a lo indicado en la literatura

(Taylor, 1995), como un promotor de la formacin delodos en el lubricante situacin que influyenegativamente en las condiciones de lubricacin delmotor sobre todo cuando los periodos de recambio delubricante son muy prolongados.

Si bien la porosidad de las bielas no fue la causal dela falla del motor se considera necesario revisar elmximo valor que puede ser aceptado, debindosecontrolar su distribucin ya que se considera que la


8/8




porosidad superficial es muy elevada y un factor quefavorece la falla de la biela.

Por otra parte el granallado aplicado a la biela (sufuncin es poner a compresin la superficie y mejorarla resistencia a la fatiga) al combinarse con el elevadogrado de porosidad superficial est generandomicrofisuras en la superficie, situacin que influye demanera desfavorable en la resistencia a la fatiga de labiela y es contraria a la idea del diseador al definirdicho acabado para la biela.

De los resultados del anlisis de falla se concluye enla conveniencia de retroalimentar al diseado delmotor en:

a. Evitar el empleo de lubricantes de muy bajaviscosidad, los cuales si bien influyen positivamenteen el rendimiento del combustible dan lugar a laformacin de depsitos de holln; los cuales pueden

afectar negativamente en la formacin de lodos ogomosidades en el lubricante.b. Considerar la adicin de un limitador derevoluciones del motor, ya que est demostrado queesto da lugar a la falla de la mquina.c. Revisar y modificar las condiciones de sinterizadode las bielas para obtener la mxima tenacidad delmaterial, yd. Reducir sensiblemente la porosidad superficial delas bielas para evitar la formacin de microgrietas quefavorezcan la falla a fatiga.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo tcnico de los ingenierosIgnacio Cueva, Edgar I. Ramrez, Roberto Cisnerospor su valiosa colaboracin durante el desarrollo deeste trabajo y al Biol. Germn lvarez en laobtencin de imgenes por microscopia electrnica.

REFERENCIAS[1] Ashby M.F. (2005) Materials Selection inMechanical Design, Elsevier.[2] Brooks Ch. (1993) Metallurgical Failure Analysis,McGraw-Hill.[3] Das K.(1997) Metallurgy of Failure Analysis,

McGraw-Hill.

[4] Metals Handbook (1984), Vol. 7 PowderMetallurgy Ninth edition, American Society forMetals.[5] Metals Handbook, (1978) Vol. 1 Iron Steels andHigh performance Alloys. Tenth edition, AMS.[6] Metals Handbook,(1986) Vol. 2 Failure Analysisand Prevention. 9th edition, American Society forMetals[7] Taylor Ch.(1995), The Internal CombustionEngine in Theory and Practice, The M.I.T. Press.

[8] Cerrud S. et al (2002) Anlisis de Falla, Facultadde Ingeniera, UNAM.

Analisis de Falla de Un Motor

Documents

Transcript of Analisis de Falla de Un Motor