ANÁLISIS DE PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE LA ALEACIÓN PULVIMETALÚRGICA DE BRONCE

ANDRES RODRIGUEZ SPITIA

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2015

ANÁLISIS DE PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE LA

ALEACIÓN PULVIMETALÚRGICA DE BRONCE

ANDRES RODRIGUEZ SPITIA

Proyecto de grado para optar el título de Ingeniero Mecánico

Directora Académica. NELLY CECILIA ALBA DE SÁNCHEZ, PhD.

Ingeniera Mecánica

Asesor de Investigación FABER CORREA BALLESTEROS, PhD.

Asesor Empresa MVM JUAN DE JESÚS GALINDO N.

Ingeniero Metalúrgico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2015

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Santiago de Cali, 17 de Febrero de 2015

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar el título de Ingeniero Mecánico. EMERSON ESCOBAR NÚÑEZ ______________________________________ Jurado HELVER MAURICIO BARRERA CÁRDENAS _____________________________________ Jurado

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Este trabajo de grado se lo dedico especialmente a mis padres, Jorge Rodríguez Sánchez y Gloria Spitia Arias, quienes me apoyaron en todo momento para poder ser lo que soy hoy en día y permitirme adquirir, los conocimientos que obtuve a lo largo de mi carrera. A mi hermano Felipe Rodríguez y mi abuela Elsa Sánchez quienes siempre estuvieron presentes en mi preparación universitaria y siempre me brindaron su apoyo.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todas las personas que me apoyaron a lo largo de mi carrera universitaria y que hicieron posible realizar este proyecto de grado. Agradezco especialmente a mi familia y sobre todo a la Dra. Nelly Cecilia Alba de Sánchez, quién me brindó su apoyo y la oportunidad de pertenecer al grupo de investigación de materiales GCIM de la UAO, al Dr. Faber Correa Ballestero, al ingeniero Juan de Jesús Galindo quien me ayudó y asesoró en todo lo relacionado con la empresa MVM Ltda.

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CONTENIDO

pág

GLOSARIO 12 RESUMEN 14 INTRODUCCIÓN 16

1. ANTECEDENTES 18 2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 19 2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 19 3. JUSTIFICACIÓN 20 4. OBJETIVOS 21

4.1 Objetivo General. 21 4.2. Objetivos Específicos. 21 5. MARCO REFERENCIAL 22

5.1. MARCO TEÓRICO 22

5.1.1. Definición de Pulvimetalurgia (PM) o metalurgia de polvos (MP). 22

5.1.2. Prueba de dureza. 23

5.1.3. Desgaste Pin on Disk. 23

5.1.4. Microscopía electrónica de barrido (SEM). 24

5.1.5. Guías de válvulas para motores de combustión interna. 25

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6. DETALLES EXPERIMENTALES 27 6.1. GUÍA DE VÁLVULAS. 27 6.2. DUREZA BRINELL (HB) 28 6.3. DUREZA VICKERS (HV) 28 6.4. PRUEBA DE RESISTENCIA AL DESGASTE 29 6.5. MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) 30

7. ANÁLISIS Y RESULTADOS 31

7.1. DUREZAS 31 7.2. PRUEBA DE DESGASTE 40

7.3. MICROGRAFÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO, SEM. 48 7.4 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL. 50 7.5 ANÁLISIS DE COMPOSICIÓN QUÍMICA MEDIANTE SONDA EDS. 55 8. CONCLUSIONES 57 9. RECOMENDACIONES 59

BIBLIOGRAFÍA 60

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LISTA DE TABLAS

pág

Tabla 1. Parámetros del ensayo Brinell 10 28 Tabla 2. Parámetros del ensayo de Pin on Disk 30 Tabla 3. Dureza Brinell de las guías de válvulas sin reprensar 31

Tabla 4. Dureza Brinell de las guías de válvulas reprensadas 34 Tabla 5. Dureza Brinell de guía de válvula comercial 35 Tabla 6. Dureza Vickers de las guías de válvulas sin reprensar 38 Tabla 7. Dureza Vickers de guías de válvulas reprensadas 39 Tabla 8. Pérdida de masa mediante pin on disk en guías sin reprensar 41 Tabla 9. Pérdida de masa mediante pin on disk en guías reprensadas 42 Tabla 10. Péridad de masa mediante pin on disk en guía comercial 46 Tabla 11. Porcentaje de poros en el material de guías reprensadas 53 Tabla 12. Porcentaje de poros en el material de guías sin reprensar 54 Tabla 13. Porcentaje de los materiales presentes en espectro analizado 56

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LISTA DE FIGURAS

pág Figura 1. Sub-procesos de producción de piezas a partir de MP 22

Figura 2. Durómetro AFFRI, modelo 206 EX, grupo GCIM, UAO 23

Figura 3. Tribómetro Microtest, grupo GCIM, UAO 24

Figura 4. Microscopio electrónico de Barrido, Escuela de Materiales, Universidad del Valle 25 Figura 5. Asiento y guía de válvula con su respectivo montaje 26 Figura 6. Guía de válvula completa y seccionada 27

Figura 7 Durómetro Indentec ZHV; grupo GCIM, UAO 29 Figura 8 Comportamiento de la densidad en el momento del prensado 33 Figura 9 Coeficiente de fricción vs distancia de deslizamiento de guías de válvulas sin reprensar 44 Figura 10 Coeficiente de fricción vs distancia de deslizamiento de guías de válvulas reprensadas 45 Figura 11 Coeficiente de fricción vs recorrido de guías de válvulas sin reprensar 47

Figura 12 Micrografías SEM, L49 sin reprensar zona A 49 Figura 13 Micrografías de guía de válvula L47 sin reprensar 50 Figura 14 Micrografías de guía de válvula L47 reprensada 50

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Figura 15 Bosquejo de micrografía de Latón α 70 Cu, 30 Zn 52 Figura 16 Porcentaje de porosidad por área (100X) guía de válvula L47 reprensada 53 Figura 17 Porcentaje de porosidad por área (100X) guía de válvula L47 sin reprensar 54 Figura 18. Espectros de análisis de la composición química de guías de válvula 56

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LISTA DE GRÁFICOS

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Gráfico 1. Dureza Brinell (HB) vs zona de guía de válvula sin reprensar para prueba de dureza Brinell 32 Gráfico 2. Dureza Brinell (HB) vs zona guía de válvula reprensadas para prueba de dureza Brinell 34 Gráfico 3. Dureza Brinell (HB) vs zona guía de válvula, efecto del reprensado 35 Gráfico 4. Comparación de Dureza Brinell (HB) vs Zona de Guía de válvula 36 Gráfico 5. Dureza Vickers (HV) vs zona guía de válvula sin reprensar de diferente longitud 38 Gráfico 6. Dureza Vickers (HV) vs zona guía de válvula reprensadas 40

Gráfico 7. Pérdida o adición de masa vs zona guía de válvula sin reprensar 41 Gráfico 8. Pérdida o adición de masa vs zona guía de válvula reprensada 43

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GLOSARIO

GUÍA DE VÁLVULA: Cilindro hueco que se encarga de guiar el desplazamiento longitudinal del vástago de la válvula de admisión o escape. PULVIMETALURGIA: Proceso de conformación de piezas metálicas, que usa como materia prima metal en polvo, los cuales deben ser mezclado, compactados y sinterizados para la obtención de la pieza final. DUREZA: Propiedad característica que presentan los materiales al no dejarse penetrar, rayar, etc. PRENSADO: Proceso en el cual se compactan los polvos metálicos en una cavidad cuya forma interna es la de la pieza a obtener o pieza deseada. REPRENSADO: Proceso adicional que consiste en realizar de nuevo un proceso de prensado con el fin de restituir la precisión dimensional. SINTERIZACIÓN: Tratamiento térmico realizado a las piezas previamente compactadas y mezcladas empleando temperaturas por debajo del punto de fusión para incrementar la unión entre cada partícula de metal en polvo. TRIBOLOGÍA: Ciencia que estudia el contacto superficial entre dos o más superficies, teniendo en cuenta la fricción, desgaste y lubricación. DESGASTE SUPERFICIAL: Pérdida de material causado por la fricción de otra superficie en contacto. MECANISMO DE DESGASTE: Es el mecanismo o proceso mediante el cual se desprende material de una o más superficies en contacto. MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO SEM: Técnica capaz de proporcionar imágenes y datos físicos de superficies de cuerpo generalmente

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opacos a los electrones, por medio de un haz de electrones que recorre las superficies.

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RESUMEN

Este proyecto de grado hace parte del macro proyecto realizado por el grupo GCIM de la Universidad Autónoma de Occidente y la empresa MVM Ltda, titulado Producción y caracterización de aleaciones de hierro grafitado y acero aleado obtenidas por aleamiento mecánico" del cual ya se han derivado varios proyectos de grado. La empresa MVM Ltda se encuentra en un proceso de desarrollo de guías de válvulas fabricadas en aleación de cobre obtenidas por proceso de metalurgia de polvos, con el fin de ser distribuidor nacional de piezas o repuestos para el sector automovilístico. Para ser igual de competitiva que las empresas distribuidoras de estas guías de válvulas a nivel nacional, fue necesario, tener conocimiento sobre las propiedades mecánicas y tribológicas con las cuales están siendo fabricadas estas piezas, ya que es sumamente importante que estas presenten una homogeneidad de propiedades a lo largo de toda su longitud. Adicionalmente, fue necesario conocer el efecto del reprensado realizado a las guías de válvulas como proceso adicional en la línea de producción que ha venido llevando a cabo la empresa. Se analizaron dos tipos de guías de válvulas identificadas como L47 y L49, siendo estas sinterizadas y reprensadas, las cuales fueron seccionadas en tres partes diferentes para ser comparadas entre cada una: zona superior, central e inferior. Se le realizó a cada zona, la caracterización de dureza como parámetro comparativo con guías de válvulas comercializadas en el sector automovilístico. Se determinó la pérdida de material y el coeficiente de fricción mediante la prueba de pin on disk, que por medio del ensayo de microscopia electrónica de barrido, SEM, se determinó el mecanismo de desgaste presentado. Por último se determinó la microestructura presente en estas piezas después del proceso de sinterización. Acorde con los resultados obtenidos en las pruebas realizadas a las guías de válvulas L47 y L49 sinterizadas y reprensadas, se puede decir que, el proceso de reprensado si tiene un efecto positivo sobre las guías de válvulas ya que mejora la dureza y por tanto, que exista desprendimiento de material lo que generará un mejor mecanizado. En comparación con las guías comerciales, se evidencia un menor desempeño mecánico-tribológico de las guías de válvulas fabricadas por la empresa MVM Ltda, pues estas obtuvieron menor y poca homogeneidad de dureza a lo largo de la guía, como también, mayor coeficiente de fricción y poca homogeneidad de este valor a lo largo de las diferentes zonas estudiadas.

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PALABRAS CLAVE: Pulvimetalurgia. Latón alfa. Prensado. Sinterizado. Reprensado. Coeficiente de fricción. Desgaste. Dureza. Metalografía.

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INTRODUCCIÓN

Hoy en día se fabrican muchas piezas para automóviles a partir de diferentes procesos. Uno de estos procesos es la pulvimetalurgia (PM en inglés) o comúnmente conocida como metalurgia de polvos (MP). Esta tecnología de obtención de piezas tiene como característica principal el uso de metales en polvo como materia prima. Los procesos más usuales de producción de piezas a partir de la PM son la compactación y el sinterizado, teniendo el primero como función, brindar la forma deseada a la pieza y el segundo, elevar la temperatura de la pieza por debajo del punto de fusión para unificar más las partículas y obtener una pieza rígida.1

A nivel nacional, este proceso de obtención de piezas a partir de la metalurgia de polvos, no es aplicado ampliamente en el sector industrial, aunque existen pocas empresas fabricantes de piezas sinterizadas, se sigue compitiendo por una calidad superior o igual a la del mercado global. Una de estas empresas es MVM Ltda, localizada en la ciudad Cali, Colombia, y dedicada a la fabricación de componentes de motores de combustión interna, como los son, guías de válvulas y asientos de válvulas para motores Diésel, gasolina y gas. Esto implica que para la obtención de una pieza que brinde todos los estándares de calidad, se debe determinar una aleación adecuada en la materia prima base y un diseño de procesos de compactación y sinterización. El objetivo de este proyecto se basó en analizar una aleación a base de polvo de cobre y zinc (comercialmente conocidas como bronce), con bajo porcentaje de manganeso, con el fin de determinar sus propiedades mecánicas y tribológicas, para la fabricación de guías de válvulas para motores a gas o gasolina. Se analizaron guías de válvulas de diferentes longitudes, a las que se les realizó su debida caracterización de propiedades mecánicas y tribológicas, para determinar su desempeño frente a vehículos que trabajen con gas o gasolina. Además, teniendo en cuenta el efecto que produce sobre estas piezas el proceso de reprensado llevado a cabo por la empresa MVM Ltda. Como futuro ingeniero mecánico y debido a los conocimientos adquiridos en la carrera, en especial los adquiridos en el área de los Materiales y Procesos de Manufactura, se pudo evaluar la calidad con la cual están siendo fabricadas las

1 GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna. Naucalpan de Juárez: Pearson Prentice Hall, 1997. 1062 p.

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guías de válvulas a partir de la aleación pulvimetalúrgica de bronce en función de las propiedades mecánicas y tribológicas, las cuales caracterizan y diferencian los materiales uno de otros.

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1. ANTECEDENTES

MVM Ltda. es una empresa metalmecánica fundada en 1985, la cual inició con la fabricación de bujes para eje de levas y maquinaria para la rectificación de motores. En el año 1999 MVM desarrolló las guías para válvula de motor, en el 2003 las camisas para motor y en el 2010 desarrolló el proceso para la producción de piezas por medio de la Metalurgia de Polvos (MP), logrando así expandir sus fronteras e incursionando mercados muy exigentes y competitivos como: 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 ofrecer al cliente un instructivo detallado sobre las propiedades físico-mecánicas de las piezas fabricadas y así obtener 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 diseñaron y fabricaron dos molinos de bolas para realizar proceso de 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 investigación2.

2JARAMILLO SUAREZ, Héctor Enrique; ALBA DE SANCHEZ, Nelly Cecilia y AVILA, Julián Arnaldo. Fundamentos y aspectos generales del Aleamiento Mecánico. Santiago de Cali. ed: Universidad Autónoma de Occidente, 2011. 162 p.

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2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Acorde con la información obtenida en busca bibliográfica, a nivel mundial, los fabricantes y proveedores más importantes de guías de válvulas que usan un proceso de pulvimetalurgia son: India, China y Brasil. Los materiales más usados comúnmente en la fabricación de estas guías de válvulas son el latón y la fundición gris por su excelente conductividad térmica. Como se ha dicho anteriormente, una empresa dedicada a la fabricación de estas piezas en Colombia es MVM Ltda. a partir de procesos de fundición y solo para motores a gasolina. Hoy en día, la empresa MVM Ltda. cuenta con una maquinaria completa para la fabricación de estas guías a partir de un proceso de metalurgia de polvos y se encuentra en desarrollo tecnológico para ser igual de competitiva que las empresas extranjeras, con el fin de ser los primeros en Colombia en fabricar las guías de válvulas para vehículos a partir del proceso de pulvimetalurgia. Con este proyecto se contribuyó al desarrollo de empresas nacionales, como la empresa MVM Ltda, para lograr un avance tecnológico a nivel de calidad de estas piezas fabricadas hoy en día por proceso de pulvimetalurgia, donde el grupo de materiales de la UAO, GCIM, ha participado ya con anterioridad. De acuerdo a los resultados obtenidos en esta investigación la empresa fabricará guías de válvulas de diferentes longitudes para motores a gas o gasolina, con la seguridad de ofrecer excelente calidad en el material con el que se fabrican estas piezas. Basados en el estudio y análisis del proceso del reprensado y de las propiedades mecánicas, como la dureza y propiedades tribológicas, como la pérdida de masa y el coeficiente de fricción, la empresa podrá realizar cambios en algún parámetro del proceso llevado a cabo durante la fabricación de las guías de válvulas, pues es de vital importancia, que estas piezas presenten en toda su longitud buena homogeneidad de su densidad. La pregunta que hace referencia al desarrollo de este proyecto de investigación se plantea así: ¿Qué efectos tiene el proceso de reprensado y cuáles son las propiedades mecánicas y tribológicas de las guías de válvulas que fabrica la empresa MVM Ltda?

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3. JUSTIFICACIÓN Actualmente, las piezas obtenidas a partir de un proceso de pulvimetalurgia presentan grandes ventajas con respecto a otros tipos de procesos. Una de las ventajas es el control de la porosidad en el material o pieza a fabricar, brindando una mejor durabilidad y por tanto disminuyendo la probabilidad que el material falle por algún fenómeno externo3. Cabe destacar, que las piezas obtenidas por sinterización presentan auto lubricación, pues en el caso de los motores de combustión interna como gasolina, gas o Diésel, es muy conveniente que sus partes se encuentren lubricadas en todo momento para reducir daños ya sea por desgaste o cualquier otro factor. Otra ventaja que presentan estas piezas obtenidas por un proceso de sinterización, es que se elimina normalmente los procesos de mecanizado, como no sucede en la fabricación por fundición4. Todo lo anterior conlleva a un mejoramiento a nivel productivo en la empresa fabricante, como MVM Ltda y por tanto, la capacidad de ser competitiva con otras empresas nacionales y extranjeras dedicadas a la fabricación de estas piezas en serie. Esta innovación en la producción de piezas, ayuda al desarrollo tanto en las empresas nacionales, como el reconocimiento del país como uno de los fabricantes de piezas sinterizadas que cumpla con todos los estándares de calidad, sobrepasando los diferentes procesos de obtención de piezas como la fundición. Para llevar a cabo un buen desarrollo y buena implementación de estas nuevas herramientas para la obtención de piezas por diferentes procesos, demandan de un personal que se encuentre en constante investigación, documentándose de las nuevas tecnologías que se estén aplicando en este tipo de procesos, como el área de la pulvimetalurgia, lo cual es un factor limitante en las empresas. Con la alianza Universidad-Empresa se brinda solución a problemas que se presentan en las fábricas, gracias a los grupos investigativos que hacen parte de la Universidad Autónoma de Occidente, como el grupo GCIM, que dentro del macro proyecto llevará a cabo las investigaciones respectivas en el contexto de la calidad a nivel de propiedades tribológicas y mecánicas con la cual están siendo fabricadas las guías de válvulas de diferentes longitudes para motores a gas o gasolina. De esta manera se promueve el desarrollo de las empresas locales y el mejoramiento en cuanto a la competitividad de la empresa MVM Ltda.

3 GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna. Ciudad de México: Mc Graw Hill, 2007. 1062 p. 4 MORRAL, F; JIMENO, E. y MOLERA, P. Metalurgia General. Barcelona: Editrial Reverté S.A. 2004. 764 p.

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4. OBJETIVOS 4.1 Objetivo General Determinar las propiedades mecánicas y tribológicas y el efecto de reprensado en guías de válvulas fabricadas por metalurgia de polvos, para utilizarlas en motores a gas o gasolina. 4.2. Objetivos Específicos Analizar la dureza y propiedades tribológicas de las guías de válvulas. Determinar la similitud de propiedades mecánicas y tribológicas a lo largo de la válvula de diferentes lotes de producción y comparar los resultados con guías de válvulas del comercio.

Determinar la microestructura después del proceso de sinterización mediante análisis metalográfico. Analizar el efecto del reprensado a las guías de válvula con respecto a las válvulas sinterizadas.

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5. MARCO REFERENCIAL

5.1. MARCO TEÓRICO 5.1.1 Definición de Pulvimetalurgia (PM) o metalurgia de polvos (MP). Es un proceso en el cual, se mezclan dosis concretas de metal en polvo para ser comprimidos o compactados, con el fin de brindarles una forma definida y deseada. Posteriormente, se calientan llevando a cabo el proceso de sinterización, en una atmósfera controlada, a una temperatura menor al punto de fusión del material base.5 El proceso de producción de piezas a partir de la metalurgia de polvos mostrado en la figura 1, está constituido principalmente por cuatro sub-procesos, los cuales son: Determinación de la materia prima en polvo, mezclado de los polvos metálicos, compactado y sinterizado. Figura 1. Sub-procesos de producción de piezas a partir de MP

Fuente: Piezas sintetizadas [en línea] MVM Ltda, 2014 [consultado el 18 de Junio de 2014]. Disponible en línea http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html. 5 DeGarmo, E.; Black, J. y KOSHER R. Materiales y Procesos de Fabricación. Barcelona, Editorial Reverté, S.A., 2002. 1300 p.

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5.1.2 Prueba de dureza. La dureza es la propiedad que tienen los materiales como resistencia al no dejarse penetrar, desgastar, rayarse y deformar plásticamente. Para medir la dureza en un material se realiza una prueba de dureza donde se usa un durómetro y sus escalas de dureza dependen del dispositivo. Las escalas más conocidas son dureza Rockwell (HR), dureza Brinell (HB) y dureza Vickers (HV).6 Las escalas Rockwell y Brinell se emplean para determinar la dureza del material a nivel macro, siendo la escala Rockwell ideal para metales que presenten alta dureza y la escala Brinell para metales o aleaciones de baja dureza, como el latón. Figura 2. Durómetro AFFRI, modelo 206 EX, grupo GCIM, UAO

5.1.3 Desgaste Pin on Disk. Es una prueba útil para medir la tasa de desgaste, el coeficiente de fricción entre superficies sólidas en movimiento relativo, determinar y comparar la calidad superficial. El procedimiento para llevar a cabo la prueba de desgaste es: lavado de la pieza con un compuesto químico (acetona, alcohol,etc) dependiendo del material y su respectivo pesaje, ajuste de altura del vástago porta masas, ajuste de las muestras, determinación de los parámetros del ensayo como carga normal, velocidad de deslizamiento y diámetro del balín, manejo del software, ejecución del ensayo y por último, pesaje de la pieza de nuevo para determinar su pérdida de masa.7 Para llevar a cabo este ensayo se hace uso de un tribómetro como se muestra a continuación.

6CALLISTER William, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Vol 1. Barcelona: Editorial Reverté S.A. 2002, 524 p. 7GULIAEV, A.P. Metalografía. Moscú: Rubiños 1860, 1978. 363 p.

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Figura 3. Tribómetro Microtest, grupo GCIM, UAO

5.1.4 Microscopía electrónica de barrido (SEM). La microscopía electrónica de barrido es capaz de proporcionar imágenes y datos físicos de superficies de cuerpo generalmente opacos a los electrones, por medio de un haz de electrones que recorre las superficies capaces de traducir lo que se está enfocando o analizando. Dichas imágenes que son leídas por el haz de electrones, viajan como información en forma de corriente eléctrica capaz de ser visualizadas en un monitor.8 Además, con una sonda EDS equipada en el dispositivo es posible realizar un estudio de la composición química del material o muestra a analizar.

8 HERNÁNDEZ ALBAÑIL, H. y ESPEJO MORA, E. Mecánica de fractura y análisis de falla, Bogotá: El Malénsante S.A., 2002. 373 p.

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Figura 4. Microscopio electrónico de Barrido, Escuela de Materiales, Universidad del Valle.

5.1.5 Guías de válvulas para motores de combustión interna. Las guías de válvulas son cilindros huecos que se encargan de centrar la válvula en su movimiento alternativo de apertura y cierre al desplazarse de manera longitudinal9. Estas piezas deben tener buena resistencia al desgaste debido al constante contacto entre el vástago de la válvula y la superficie interna de la guía, además, esta debe ser construida en un material con buena conductividad térmica.10

9 GONZALES CALLEJA, D. Motores térmicos y sus sistemas auxiliares. España: Ediciones Paraninfo S.A., 2012. 682 p 10 DIETSCHE Karl. Manual de la técnica del automóvil. Alemania: Editorial Reverté S.A. 1999. 1233 p.

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Figura 5. Asiento y guía de válvula con su respectivo montaje.

Fuente: Mahle driven by performance [en línea] [consultado el 18 de Junio de 2014]. Disponible en línea http://www.mahle-aftermarket.com De la Figura 5 se observa el conjunto de guía, asiento y válvula de admisión y escape. La guía de válvula tiene como función, guiar el desplazamiento longitudinal de la válvula de admisión y escape. El asiento de válvula es el componente que se encarga de la retención de los gases y sirve como apoyo para la cabeza de la válvula. Por último, la función de la válvula es permitir, ya sea la admisión de aire a la cámara de combustión para que se genere la mezcla de aire-combustible o permitir la expulsión de los gases producidos después del proceso de combustión al medio ambiente. Dentro de la cámara de combustión se encuentran dos válvulas, una para admisión y una para escape.

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6. DETALLES EXPERIMENTALES 6.1. GUÍA DE VÁLVULAS Las guías de válvulas analizadas en esta investigación fueron suministradas por la empresa MVM Ltda, quienes las fabrican mediante proceso de compactación en prensas donde aplican presiones de 12 toneladas por pulgada cuadrada y posteriormente aplican proceso de sinterización utilizando temperaturas hasta de 870°C. Para llevar a cabo esta investigación se analizaron guías de válvulas o tacos de 47 mm y 49 mm de longitud, con solo sinterizado y otras después de sinterizadas se les aplicó proceso de reprensado. Las válvulas se identificaron como L47 y L49, respectivamente. Las válvulas fueron cortadas en tres partes diferentes, identificadas como la zona superior con la letra A, la zona central con la letra B y la zona inferior con la letra C. Las guías de válvulas fueron comparadas con guías comercializadas por otra empresa a nivel nacional e internacional. En la Figura 6 se presenta una válvula completa y una seccionada. Recordar, que estas guías son conocidas comercialmente como guías de bronce, pero su material en realidad es latón (cobre y zinc). Figura 6. Guía de válvula completa y seccionada.

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6.2. DUREZA BRINELL (HB) Para la caracterización de dureza en las guías de válvulas, se hizo uso del durómetro AFFRI modelo 206 EX de la UAO y la norma ASTM E10-12 “estándar test method for Brinell Hardness of metallic materials”, en donde se tomaron varias medidas de dureza sobre las áreas transversales de cada sección de la guía, con el fin, de obtener un valor promedio de esta propiedad. Para esta prueba de dureza Brinell se tuvo en cuenta los parámetros que caracterizan un ensayo Brinell 10 (HB 2.5/62.5) como se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Parámetros del ensayo Brinell 10.

Diámetro Balín D (mm)

Carga P (N)

Carga P (kgf)

2.5 613 62.5

Se seleccionó una escala Brinell ya que es ideal para materiales blandos (de baja dureza) como lo es él latón y la selección de la carga empleada corresponde a un ensayo Brinell 10, la cual recomienda según la norma que el material a estudio esté en un rango de dureza Brinell entre 31.8 y 218, pues esta carga de 613 N es ideal para metales o aleaciones de baja dureza. Además el grado de fuerza (P/D2) para el latón debe ser de 10, la cual permite un ensayo de dureza Brinell con los parámetros seleccionados y mostrados en la tabla 1. 6.3. DUREZA VICKERS (HV)

Para la caracterización de esta micro dureza en las guías de válvulas, se hizo uso del durómetro Indentec ZHV de la UAO, en donde se tomaron varias medidas de dureza sobre las áreas transversales de cada sección de la guía, con el fin, de obtener un valor promedio de esta propiedad. Para esta prueba de micro-dureza Vickers se tuvo en cuenta las dimensiones de la huella en forma de pirámide dejada por el indentador, las cuales fueron vitales para el resultado de esta propiedad.

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Figura 7 Durómetro Indentec ZHV; grupo GCIM, UAO.

6.4. PRUEBA DE RESISTENCIA AL DESGASTE Por medio del ensayo de pin-on-disk se obtuvo los valores del coeficiente de fricción para cada zona de la guía a medida que el pin realizaba su recorrido en la sección transversal de la guía de válvula, teniendo en cuenta, el pesaje de cada sección de guía antes y después del ensayo con el fin de determinar la pérdida de masa que se produce durante la prueba. Para ello, se hizo uso de un tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en seco, constituido por un brazo portador del pin o balín, quien será el que ejercerá la carga sobre el material, un plato porta muestras de radio de 100mm y sensores, que mediante un sistema de control, registran los datos de fricción en el software MT 4001 – 98 del equipo. En la tabla 2 se muestran los parámetros del ensayo de desgaste empleados teniendo en cuenta la norma ASTM G99 “Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus”.

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Tabla 2. Parámetros del ensayo de Pin on Disk

Dato Medida Acabado superficial de la

probeta Pulido

Recorrido (m) 1000 Velocidad angular (rpm) 200

Carga (N) 2 Radio de pista (mm) 5

Coeficiente de fricción (acero-latón) 𝜇𝑘

0.44

La selección de la carga fue de 2N, ya que al utilizar una carga superior a la seleccionada, el pin penetraba completamente la zona de guía estudiada debido a su baja dureza, generando que el porta pin fuese el encargado de realizar el desgaste, lo cual se estaría manipulando de manera errónea el equipo y por tanto se obtendrían resultados no confiables. La norma no específica que carga emplear dependiendo del material a estudio, por lo tanto, se tomó una carga de 2 N ya que es una carga baja y es apropiada para metales o aleaciones de baja dureza. 6.5. MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) El ensayo de SEM se le realizó a una sección de las guías de válvulas, con el fin de observar el mecanismo de desgaste presentado después de ser sometidas a la prueba de pin on disk. Adicionalmente, con la ayuda de sonda EDS se realizó el estudio de la composición química presente en el material de las guías de válvulas. Se hizo estudios a diferentes aumentos para obtener un mejor análisis de la zona estudiada.

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7. ANÁLISIS Y RESULTADOS

7.1. DUREZAS Se realizó la toma de dureza Brinell y Vickers a las áreas transversales de la sección superior, central e inferior a las guías de válvulas L47 y L49 sin reprensar y reprensadas. En las tablas 3 y 4 se presentan los valores de dureza Brinell para las guías L47, L49 sin reprensar y las guías L47 y L49 reprensadas, respectivamente. Tabla 3. Dureza Brinell de las guías de válvulas sin reprensar.

(HB) Guía de válvula L47 Guía de válvula L49

Indentación Zona

superior A

Zona central B

Zona inferior C

Zona superior

A Zona central

B Zona inferior

C

1 2 3 4

34.4 37.7 38.3 37.6

33.2 34.2

34.4

34.3

36.2 35.7 36.7 42.3

35.2 32.5 33 37

32.3 32.7 35.7 37.8

37.9 41.2 39.7 40.2

Promedio ± desviación estándar

37±1.8 34±0.5 37.7±3.1 34.6±2.2 34.4±2.6 39.7±1.4

32

Gráfico 1. Dureza Brinell (HB) vs zona de guía de válvula sin reprensar para prueba de dureza Brinell.

De la tabla 3 y gráfico 1 se observa, que los valores de dureza para la zona C (extremo inferior) de ambas guías, son ligeramente más elevados que los valores de dureza de las zonas A y B, lo cual es debido, a que en el momento de llevar a cabo el proceso de compactación, los punzones de las prensas ejercen mayor presión sobre el polvo metálico ubicado más cercano a ellos. Además, se debe tener en cuenta, que estas guías se prensan de manera vertical y que por ser la zona C un extremo inferior de la guía, el fenómeno de la gravedad ayuda a que el polvo metálico más fino ubicado en zonas superiores a este descienda en el momento del proceso de prensado y se filtre por las cavidades o porosidades, produciendo incremento de la densidad en dicha zona. También se observa que la zona B de ambas guías, (zona central) es la zona que presenta los valores más bajos de dureza en comparación con las zonas A y C. Este resultado concuerda con lo esperado, debido a que la zona central de la guía, al encontrarse lo más lejana de los puntos donde los punzones de la prensa se encargan de compactar los polvos, no se produce un buen acercamiento entre las partículas de los polvos, generando cavidades o espacios entre ellos, disminuyendo la densidad en esta zona.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

A B C

Dur

eza

Brin

ell (

HB

)

Zonas

L47 Sin reprensar

L49 Sin reprensar

33

Figura 8 Comportamiento de la densidad en el momento del prensado

De la figura anterior se observa gráficamente lo explicado con anterioridad, donde las zonas con una escala de gris más oscuro indica mayor cantidad de polvo o partículas, esto proporcional a la densidad. El polvo metálico que adquiere la forma de la guía o taco después del proceso de prensado, se distribuye en mayor cantidad en la zona inferior C, seguidamente en la zona superior A y por último en la zona central B la cual es la menos densa. A pesar de que los valores de dureza en las tres secciones de las válvulas o tacos fueron diferentes, estos valores fueron cercanos, por lo tanto existirá un desempeño mecánico similar a lo largo de las guías fabricadas solo con proceso de sinterización.

34

Tabla 4. Dureza Brinell de las guías de válvulas reprensadas.

(HB) Guía de válvula L47 Guía de válvula L49

Indentación Zona

superior A

Zona central B

Zona inferior C

Zona superior

A Zona central

B Zona inferior

C

1 2 3 4

57.2 52.2 53.7 52.6

42.3 49.8 48.9 58

69.2 66.4 68 70

49 53 60

43.6

43.9 44.7 44.4 35

82.5 79.6 77.6 84

Promedio ± desviación estándar

53.9±2.3 49.8±6.5 68.4±1.6 51.4±6.9 42±4.6 81±2.8

Gráfico 2. Dureza Brinell (HB) vs zona guía de válvula reprensadas para prueba de dureza Brinell

En el grafico 2 y la tabla 4 se observa, que el comportamiento de la dureza de las válvulas reprensadas fue similar a los obtenidos en las válvulas sin reprensar. Se evidencia un incremento de la dureza en las tres zonas de las guías de válvulas reprensadas comparadas con las no reprensadas. No obstante, sus valores no son tan similares entre sí, es decir, no presenta homogeneidad de esta propiedad a lo

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

A B C

Dur

eza

Brin

ell (

HB

)

Zonas

L47 Reprensada

L49 Reprensada

35

largo de su longitud, ya que existe una gran diferencia de los valores de dureza si se compara la zona C con las zonas A y B, esto debido a los parámetros empleados en la prensa mecánica con la cual se lleva a cabo el proceso de reprensado, pues los punzones de la prensa no se encuentren ejerciendo igual presión en la zona superior e inferior del taco. Gráfico 3. Dureza Brinell (HB) vs zona guía de válvula, efecto del reprensado

Del gráfico 3 se observa, que el proceso de reprensado realizado a las guías L47 y L49 tienen un efecto positivo pues genera un incremento en el valor de dureza, ya que al realizar de nuevo un proceso de compactado en las guías se logra un incremento de la densidad en la pieza, pues se consigue disminuir la porosidad con el incremento de material de la guía en el volumen de cada sección. Por lo tanto al no haber demasiada porosidad en las zonas estudiadas, la resistencia a la penetración se incrementa en el momento de caracterizar esta propiedad. En pulvimetalurgia, el término de incremento de densidad hace referencia a una zona que presenta poca porosidad. Para generar incremento de la densidad con proceso de reprensado, la empresa MVM fabrica en primer lugar una guía sinterizada con una longitud superior a la longitud que obtendrá la guía después del reprensado, pues en el momento de llevar a cabo este proceso adicional, la carga aplicada en la prensa obliga a que la guía disminuya su longitud hasta la longitud final gracias a la reducción de la porosidad, además como la reducción de su longitud es por deformación plástica, su dureza también se ve afectada. Adicionalmente, se comparó estos resultados de dureza Brinell de las guías reprensadas L47 y L49 con la dureza Brinell que presentan las guías comercializadas por otra empresa obtenidas por proceso de fundición, con el objetivo de tener conocimiento si existe una similitud de esta propiedad. La caracterización de esta propiedad en las guías de válvulas comercializadas se

36

realizó con los mismos parámetros empleados en la toma de dureza Brinell para las guías de válvulas fabricadas por la empresa MVM Ltda. Tabla 5. Dureza Brinell de guía de válvula comercial a lo largo de su longitud.

Guía de válvula comercial Indentación Zona Superior

A Zona Central

B Zona Inferior

C 1 2 3 4 5

107.7 108.4 117.6 103.8 117.2

88.5 100.2

90 102.3 103.2

107.7 105.6 116.8 117.2 116.4

Promedio ± desviación estándar

110.9±6.2 96.8±7 112.7±5.6

De la tabla 5 se observa, que existe una cercana similitud de esta propiedad a escala Brinell entre cada zona de la guía de válvula comercial analizada, factor importante que deben presentar este tipo de piezas, pues se asegura un rendimiento mecánico homogéneo a lo largo de toda la longitud. Gráfico 4. Comparación de Dureza Brinell (HB) vs Zona de Guía de válvula

0

20

40

60

80

100

120

A B C

Dur

eza

Brin

ell (

HB

)

Zonas

Guía comercial

L49 Reprensada

L47 Reprensada

37

Del gráfico 4, se observa la comparación de la propiedad de dureza obtenida en una escala Brinell para las diferentes zonas de las guías de válvula comercializada y fabricadas por la empresa MVM Ltda. Esta comparación de dureza de las guías comercializadas se realiza con las guías L47 y L49 reprensadas, debido a los mayores valores de dureza obtenidos en el momento de su respectiva caracterización y porque existe la posibilidad que la empresa MVM incursione en el mercado estas guías de válvulas reprensadas. De este gráfico se observa, que las guías comercializadas presentan valores de dureza más elevados que los valores de dureza obtenidos en las guías L47 y L49 fabricadas por MVM Ltda. Esto debido, al tipo de proceso y composición química empleado durante la producción de estas piezas comercializadas. Esta diferencia en los valores de dureza, brinda un posible conocimiento del comportamiento que tendrán estas piezas en el momento de ser mecanizadas, pues para poder brindar la forma final a la guía de válvula se debe realizar un proceso de rimado. Por lo tanto, un valor muy bajo de dureza en una pieza de estas, presentará inconvenientes en el momento de ser mecanizadas, generando tiempos de procesos extensos debido a un mal desprendimiento del material. Para la toma de dureza Vickers a las guías de válvulas L47 y L49 sin reprensar y reprensadas, se tuvo en cuenta el área transversal de cada sección o zona de la guía (superior, central e inferior). Al realizar la caracterización de esta propiedad a escala micro, se encontró una variación considerable en los valores de dureza, ya que al ser estas piezas sinterizadas, provenientes de una materia prima en polvo, los valores de micro-dureza se ven afectados debido a que su microestructura no sea homogénea en las diferentes zonas de la guía, como también, la posibilidad de encontrarse con una zona porosa en el momento de realizar el ensayo. En la tabla 6 se presentan los resultados de dureza Vickers.

38

Tabla 6. Dureza Vickers de las guías de válvulas sin reprensar.

(HV)

Guía de válvula L47 Guía de válvula L49

Indentación Zona

superior A

Zona central B

Zona inferior C

Zona superior

A Zona central

B Zona inferior

C

1 2 3

68 70 60

57 59 57

88 91 89

54 59 51

59 67 67

49 77 66

Promedio ± desviación estándar

66± 5.3 57.7± 1.2 89.3± 1.5 54.7± 4 64.3± 4.6 64± 14.1

Gráfico 5. Dureza Vickers (HV) vs zona guía de válvula sin reprensar de diferente longitud

Del gráfico 5 es posible apreciar, que para la guía L49 se presenta un comportamiento atípico en piezas fabricadas por proceso de metalurgia de polvos, ya que se espera que el centro de la guía sea la zona menos densa debido a su alta porosidad, por ser la zona que se encuentra más lejana de los puntos donde los

0102030405060708090

100

A B C

Dur

eza

Vick

ers

(HV)

Zonas

L47 SINREPRENSAR

L49 SINREPRENSAR

39

punzones de las prensas se encargan de llevar a cabo el proceso de compactación, por lo que se generan cavidades o espacios entre cada partícula del metal en polvo. Este resultado atípico de dureza para la guía L49 se debe, posiblemente, a que en el momento de llevar a cabo la caracterización de esta propiedad, el indentador piramidal que se encarga de penetrar el material, se halla localizado cerca de un poro, generando una medida baja de dureza en comparación con las zonas A y C. Por otro lado, el comportamiento que presentó la guía L47 si fue un resultado esperado, pues como se ha explicado con anterioridad, las zonas de los extremos de la guía deben ser las zonas más densas y por tanto, las zonas con mayor dureza. No obstante, un factor importante que se encuentra relacionado con los resultados de dureza a escala micro es la estructura base presente en el material sinterizado, pues como se observó en el gráfico 5, esta diferenciación entre los datos de cada sección se ve afectado tanto por la porosidad, como por la poca uniformidad del material base, pues posiblemente, haya ocurrido que en algunas zonas donde se tomó la dureza, la composición química no haya sido la misma que en otras zonas a las cuales se tomó la dureza, pues muchos de los aleantes usados en la fabricación de estas guías por la empresa MVM Ltda como el zinc que proporciona resistencia mecánica, se pierde en el proceso de sinterización. Lo anterior se comprobó con análisis de composición química (ver sección 7.5). Tabla 7. Dureza Vickers de las guías de válvulas reprensadas L47 y L49.

(HV)

Guía de válvula L47 Guía de válvula L49

Indentación Zona

Superior A

Zona Central B

Zona Inferior C

Zona Superior

A Zona Central

B Zona Inferior

C

1 2 3

70 80 62

54 80 67

90 131 103

72 93 70

60 93 68

101 135 118

Promedio ± desviación estándar

70.7 ± 9.02 67± 13 108± 20.9 78.3± 12.7 73.7± 17.2 118± 17

40

Gráfico 6. Dureza Vickers (HV) vs zona guía de válvula reprensadas

Del gráfico 6 se observa los valores de micro dureza para los tacos reprensados, los cuales fueron poco homogéneos a lo largo de toda la longitud, ya que no hay homogeneidad en la composición química base del material, esto comprobado en la sección 7.5 (ver sección 7.5). Cabe resaltar, que la guía L49 presentó mayor dureza en todas sus zonas en comparación con la guía L47, lo cual, se esperaría que aquellas piezas de menor longitud sean las más densas, debido a su baja porosidad, ya que el polvo metálico es más fácil de agrupar. Estos valores obtenidos se deben, a que la guía L49 tiene un área transversal ligeramente menor que la guía L47, pues, al ser este diámetro de la guía L49 de menor magnitud, las partículas se encuentran más próximas entre ellas, facilitando que se agrupen de mejor manera al realizarse el proceso de compactado. 7.2. PRUEBA DE DESGASTE Para obtener el coeficiente de fricción y pérdida de masa de las guías de válvulas L47 y L49 sin reprensar y reprensadas, se realizó la prueba de desgaste mediante la técnica de pin-on-disk en el tribómetro Microtest. Los parámetros empleados para este ensayo se presentaron en la tabla 2. En la tabla 8 y 9 se muestran los valores de pérdida de masa (en gramos) que tuvieron las probetas L47 y L49 sin reprensar y L47 y L49 reprensadas, respectivamente. Nota: Los valores acompañados del símbolo "+" indican aumento de masa y los valores acompañados del símbolo "-" indican pérdida de masa. El nivel de precisión de la balanza empleada para el pesaje de las muestras es de 1x10-4g

020406080

100120140160

A B C

Dur

eza

Vick

ers

(HV)

Zonas

L47 Reprensada

L49 Reprensada

41

Tabla 8. Pérdida de masa mediante pin on disk en guías sin reprensar

Guía de válvula L47 Guía de válvula L49

Prueba Zona

superior A

Zona central

B

Zona inferior

C

Zona superior

A

Zona central

B

Zona inferior

C Pérdida o adición de

masa de guía de válvula

(g)

-1.8E-03 -4.8E-03 -5.67E-04 +6.67E-05 -6.67E-05 -0.54

Pérdida o adición de masa del

balín usado en la prueba

(g)

-1.67E-04 +1.3E-04 +1.67E-04 -6.67E-0.5 +2E-04 +3.7E-04

Gráfico 7. Pérdida o adición de masa vs zona guía de válvula sin reprensar

Del gráfico 7 y de la tabla 8 se aprecian los valores de adición o pérdida de masa que presentaron las guías de válvulas L47 y L49 sin reprensar, al ser sometidas a ensayo de desgaste pin-on-disk. Si se realiza un detallado análisis en la tabla 8, se observa, que las zonas A, B y C de la guía L47 presentaron una pérdida de masa insignificante, al igual que la zona B de la guía L49. Por otro lado, la zona A de la guía L49 presentó una insignificante adición de masa, el cual se puede descartar, ya que este valor se encuentra dentro del margen de error de la balanza empleada para el pesaje de estas piezas. Se resalta que las zonas A, B y C de la guía L47 y las zonas A y B de la guía L49, presentaron valores despreciables de pérdida o

-0,6000

-0,5000

-0,4000

-0,3000

-0,2000

-0,1000

0,0000

0,1000

A B C

Pérd

ida

o ad

ició

n de

mas

a (g

)

Zonas

L47 Sin reprensar

L49 Sin reprensar

42

adición de masa, que se evidencia en el gráfico 7, además, algunos de estos valores estuvieron dentro del margen de error de la balanza la cual es de 1x10 -4g. Por el contrario, la zona que presentó el mayor valor de pérdida de masa fue la zona C de la guía L49 cuyo valor fue de 0.54 g, lo cual se debió posiblemente, a que el pin en el momento de realizar la prueba se haya encontrado con zonas donde el material de la guía se pudo desprender fácilmente debido a una baja unión causada por la alta porosidad, pues no se encontró una relación de esta gran pérdida de masa con el valor de dureza Brinell y el valor de coeficiente de fricción (ver figura 9) obtenido para esta zona, pues su valores de dureza y coeficiente de fricción no fueron diferentes a los obtenidos para las otras zonas. Por otro lado, los pines o balines que presentaron adición de masa aparente utilizados en el ensayo de desgaste, se debe a que se trasfirió material de las guía o tacos de válvula hacia el balín, lo cual se descarta debido a que su valor fue insignificante, pues de nuevo estos valores se encuentran dentro del margen de error de la balanza empleada. Lo anterior hace referencia a las zonas B y C de la guía L47 y guía L49. No obstante, los balines empleados en el ensayo de desgaste a la zona A de las guías L47 y L49 presentaron pérdida de masa aparente, pero es poco probable que estos hayan trasferido material a las guías, pues estos balines son de mayor dureza que las guías de válvulas fabricadas por la empresa MVM Ltda, ya que estos son de acero, además sus valores fueron tan insignificantes que se encuentran dentro del margen de error de la balanza. Tabla 9. Pérdida de masa mediante pin on disk en guías reprensadas

Guía de válvula L47 Guía de válvula L49

Prueba Zona

Superior A

Zona Central

B

Zona Inferior

C

Zona Superior

A

Zona Central

B

Zona Inferior

C Pérdida o

Adición de Masa de guía de válvula (g)

-3.3E-04 -3.67E-04 -7.43E-03 -4.86E-03 -2E-04 -9.1E-03

Pérdida o Adición de Masa del

balín usado en la prueba

(g)

+3.33E-05 +1.4E-03 -3.33E-05 -4.8E-03 -3.33E-05 -4.33E-04

43

Gráfico 8. Pérdida o adición de masa vs zona guía de válvula reprensada.

Del gráfico 8 y de la tabla 9 se aprecian los valores de pérdida de masa que presentaron las guías de válvulas L47 y L49 reprensadas al ser sometidas a ensayo de desgaste pin on disk. Todas las zonas de ambas guías presentaron pérdida de masa despreciable y no una adición de masa aparente, no obstante, la mayoría de estos valores se encontraron dentro del margen de error de la balanza. Si se realiza un detallado análisis en la tabla 9, se observa, que el balín implementado en el ensayo de desgaste para la zona C de la guía L47 y las zonas A, B y C de la guía L49 pareciese que presentó pérdida de masa, sin embargo estos valores se descartan por su insignificante valor y de nuevo, algunos de estos valores se encontraron dentro del margen de error de la balanza. Es imposible que el balín pierda masa ya que la dureza de este es superior al que presenta las guías, pues el material del balín es de acero. Por el contrario, las zonas A y B de la guía L47 presentaron una insignificante pérdida de masa que fue cedida al balín, reflejado en su ligera adición de masa que presentó al ser pesado después del ensayo de desgaste. No obstante, estos valores de pérdida o adición de masa para las guías como para los balines fueron insignificantes e incluso, la mayoría se encontraron dentro del rango de error de la balanza que se usó para el pesaje de la zona de guía y balín empleado en la prueba, por lo tanto, todos estos valores pueden ser despreciados. Esta despreciable pérdida de masa presentada después del ensayo de desgaste realizado a las guías, se debe a la baja dureza presente en estas guías de válvulas fabricadas por la empresa MVM, pues un mecanismo de desgaste responsable de que no se genere dicha pérdida de material es un mecanismo de desgaste de deformación plástica, siendo este, el presentado por las guías de válvulas

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0A B C

Pé

rdid

a o

ad

ició

n d

e m

asa

(mg)

Zonas

L47 Reprensada

L49 Reprensada

44

fabricadas por metalurgia de polvos después de realizado el ensayo de desgaste (ver sección 7.3). Adicionalmente a este ensayo de pin on disk, se obtuvieron curvas de coeficiente de fricción vs distancia de deslizamiento del balín sobre el área transversal de la guía de válvula observadas en la Figura 9 y 10. Los parámetros empleados en este ensayo se presentaron ya con anterioridad (ver tabla 2). Figura 9 Coeficiente de fricción vs distancia de deslizamiento de guías de válvulas sin reprensar

45

Figura 10 Coeficiente de fricción vs distancia de deslizamiento de guías de válvulas reprensadas

De la figura 9 y 10 se observa el comportamiento del coeficiente de fricción vs distancia de deslizamiento para las guías L47 y L49 sinterizadas y con proceso de reprensado. Las zonas centrales (B) no fueron precisamente las zonas que obtuvieron el mayor valor de coeficiente de fricción con respecto a las zonas superior e inferior como se tenía esperado, ya que este valor de coeficiente de fricción se ve afectado por la calidad superficial y a menudo por la dureza del material. Se esperaba que este valor de coeficiente de fricción fuera mayor con respecto a las otras zonas ya que esta fue la zona que presentó el menor valor de dureza, pues en un contacto entre un metal duro y un metal de baja dureza, siendo el metal duro correspondiente al pin y el metal de baja dureza correspondiente a la guía de válvula , se genera un mayor contacto entre las asperezas o rugosidades, pues en el contacto de ambos metales, el de mayor dureza genera una deformación plástica en el material de baja dureza, produciendo que el área real de contacto incremente, lo que se traduce una mayor fuerza para poder vencer las uniones producidas para originar una mayor tracción lateral para sostener el deslizamiento entre ambos cuerpos. Además, el latón que principalmente está compuesto de cobre es metalúrgicamente compatible con el hierro que es el elemento químico que más abunda en el material del pin utilizado, lo que puede generar posiblemente en el momento del contacto, un enlace químico en los puntos donde se realiza el contacto entre ambos cuerpos, lo que ocasionará a que se requiera mayor fuerza para poder vencer esta nueva unión química para producir movimiento relativo entre ambos cuerpos, aunque esto es poco probable ya que el pin es de acero inoxidable, por lo tanto, este se encuentra recubierto por una capa de cromo que no es compatible metalúrgicamente con el latón.

46

Sin embargo, por ser estas piezas fabricadas por un proceso de metalurgia de polvos, el valor de coeficiente de fricción, como otras propiedades, se ven afectadas por la porosidad, ya que esta entra a ser parte del material y no se entiende como una imperfección, contrario a lo que ocurre en piezas fabricadas por otro tipo de proceso como lo es la fundición. Muchas veces de lo esperado en la caracterización de propiedades en piezas fabricadas por metalurgia de polvos no suelen tener un comportamiento o resultado deseado. Posiblemente, las zonas de mayor dureza, como lo es la zona C y A, obtuvieron los valores más altos de coeficiente de fricción a comparación con la zona B si analizamos las guías L49 sin reprensar, L49 reprensada y L47 reprensada ya que en el momento de llevar a cabo el ensayo, probablemente los picos o rugosidades se desprendieron como residuo debido a su mayor fragilidad, localizándose alguna parte en la pista o surco dejado por el pin, alterando la rugosidad en la superficie generando que el valor de coeficiente de fricción haya sido mayor. También es posible, que en los poros hayan inclusiones, las cuales dados los concentradores de esfuerzo pueden causar fluencia local y generar terceros cuerpos. En la eventualidad de que los terceros cuerpos sean de mayor dureza que el material base de la guía de válvula se puede generar un coeficiente de fricción alto. Tabla 10. Pérdida de masa mediante pin on disk en guía comercial

Prueba

Zona Superior

A

Pérdida o Adición de

Masa de guía de válvula

(g)

-9.7 E-03

Pérdida o Adición de Masa del

balín usado en la prueba

(g)

+2 E-04

47

De la tabla 10 se observa el valor de la pérdida de masa que presentó la guía de válvula comercial al ser sometida a un ensayo de desgaste. Este valor es considerado despreciable debido a su bajo tamaño. Por otro lado, su valor de pérdida de masa no se encuentra muy distante de algunos valores de pérdida de masa obtenidos para las guías fabricadas por la empresa MVM Ltda. A continuación se presenta el coeficiente de fricción vs recorrido para la guía de válvula comercial. Figura 11 Coeficiente de fricción vs recorrido de guías de válvulas sin reprensar.

De la figura 11, se observa que el valor de coeficiente de fricción obtenido para la guía de válvula comercial fue menor al presentado por las guías fabricadas por la empresa MVM Ltda, lo cual permite establecer, que existirá un menor desgaste y calentamiento de la pieza a la hora de su funcionamiento. Además, era de esperarse que el coeficiente de fricción obtenido para las guías fabricadas por PM fuera mayor que el obtenido para la guía comercial, pues se debe recordar que las piezas fabricadas por PM presentan poros lo que contribuye a una menor calidad superficial.

48

De lo anterior, se resalta que los valores obtenidos de coeficiente de fricción para las guías de válvulas fabricadas por la empresa MVM Ltda y competencia son buenos, ya que el coeficiente de fricción entre acero y bronce o latón está estipulado en un valor de 0.44, pues los valores obtenidos fueron menores a este y solamente uno un poco superior que fue el obtenido para la zona A de la guía L47 sin reprensar. Por lo tanto, estas piezas al presentar coeficientes de fricción bajos no generarán una elevación adicional de la temperatura a la hora de su funcionamiento debido al contacto del vástago de la válvula con el área interna de la guía. No obstante, se evidencia que no existe una homogeneidad del valor de coeficiente de fricción para las guías fabricadas por metalurgia de polvo, lo cual generará que se produzca un calentamiento no uniforme en el momento del funcionamiento de apertura y cierre de la válvula. Este ensayo de pin on disk, aparte de brindar conocimiento sobre la pérdida o adición de masa que presentan estas piezas al ser sometidas a ensayos de desgaste, se puede tener conocimiento sobre los mecanismos de desgaste que presentan las piezas al realizar un estudio bajo el ensayo SEM en la huella dejada por el pin, pues muchas veces, a las guías de válvulas se les debe realizar un proceso adicional de mecanizado para brindarles la forma final que tendrán, lo cual, es sumamente importante que estas piezas presenten un mecanismo de desgaste ideal para que puedan ser mecanizadas, de lo contrario, podrían causar problemas, como gasto de la vida útil de las herramientas de corte, tiempo de procesos extensos, etc. 7.3. MICROGRAFÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO, SEM. En la figura 12 se muestra cuatro micrografías a diferente aumento de la huella producida por el contacto entre el pin y el área transversal de la guía de válvula, observado mediante SEM, identificadas por las letras A, B, C y D. Estas micrografías corresponden a la zona A de la guía L49 sin reprensar

49

Figura 12 Micrografías SEM, L49 sin reprensar zona A.

En la micrografía A se observa los valores del ancho de la huella dejada por el pin al realizar el contacto con el área transversal de la guía. Estos valores de huella presentados son de muy bajo valor, ya que en el momento de realizar la prueba de desgaste, se trabajó con cargas mínimas (2N) para no ocasionar que el pin penetrara completamente la guía, produciendo que el porta pin empezara a realizar el desgaste en la guía de válvula. En la micrografía B y C, se observa deformación plástica después de realizado el ensayo de desgaste, ya que el material de la guía se desplaza hacia las fronteras de la huella generando acumulación de material, factor que generará problemas futuros en el momento de ser mecanizadas. No obstante, este tipo de desgaste presentado en esta zona de guía de válvula, tiene una ventaja, y es que en el momento de estar en contacto la guía de válvula con el vástago de la válvula no presentará una pérdida de masa considerable que cause un desajuste en el motor, esto comprobado en el análisis de pérdida de masa presentado con anterioridad.

50

Por último en la micrografía D, se observa un mecanismo de desgaste abrasivo al estudiar más a fondo la pista dejada por el pin, donde el material desprendido se haya esparcido como residuo. Este mecanismo de desgaste no fue tan influyente, es decir, no fue el mecanismo de desgaste principal presentado por la guía de válvula. 7.4 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL. Se le realizó un análisis de microestructura mediante metalografía óptica a la guía de válvula L47 reprensada y sin reprensar, con el objetivo de identificar la microestructura presentada después del proceso de sinterización. Cabe resaltar, que la estructura presente en las guías L47 y L49 reprensadas y sin represar deben ser las mismas ya que estas son fabricadas con la misma composición química, es decir, las mismas cantidades de los elementos aleantes. Figura 13 Micrografías de guía de válvula L47 sin reprensar.

Figura 14 Micrografías de guía de válvula L47 reprensada

100X

500X

Maclas de deformación.

200X

200X

51

De la figura 13 y 14 se observa las micrografías de las guías de válvulas L47 sin reprensar y reprensadas, siendo estas iguales para ambos casos, es decir, la metalografía no varía con el proceso de reprensado, sino con la temperatura de sinterización y la cantidad de porcentajes aleantes presentes en el material. Por otro lado, es posible apreciar en las metalografías maclas de deformación, las cuales son producidas por una deformación plástica y son identificadas como subgranos estrechos con bordes rectilíneos y paralelos. Estas poseen la misma composición química de la zona en la que se halla inmersa y su velocidad de formación es repentina. Este es un mecanismo de deformación plástica presente en los metales cuando se induce un esfuerzo cortante, generando un cambio de posición de rotación en los átomos con respecto a un plano de maclado, los cuales son identificados por líneas rectilíneas y paralelas mostradas en la figura 14. Una de las consecuencias que genera el maclado a nivel de propiedades mecánicas, está relacionado con la dureza, pues al ser este un mecanismo de deformación plástica se produce un endurecimiento por deformación11. Como se dijo anteriormente, estas guías de válvulas son conocidas comercialmente como guías de bronce, sin embargo, estas son fabricadas en una aleación de cobre, zinc (Latón) y otros elementos aleantes por la empresa MVM Ltda. Observando las figuras 13 y 14 se concluye que estas guías o tacos de válvulas poseen una fase α, la cual se produce cuando la aleación de cobre-zinc posee contenidos de zinc inferiores al 37%. Lo anterior se comprueba con el análisis EDS realizado a los tacos de válvulas, expuesto en la sección 7.5. A continuación se presenta en la figura 15 una micrografía de un latón 70/30 como referencia.

11 Maclas de deformación [en línea]. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia -UPV. Maclas, [consultado 26 de noviembre de 2014]. Disponible en: http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm04/pfcm4_3_11.html.

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Figura 15 Bosquejo de micrografía de Latón α 70 Cu, 30 Zn.

Fuente: Copper based alloys [en línea]. Estados Unidos: University of Cambridge, 2014 [accedido el 26 Noviembre de 2014]. Disponible en:http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/microstructural_exam/cualloys.php. Comparando las micrografías de las figuras 13 y 14 con la figura 15, se observa una gran similitud, pues la figura 15 muestra una sola fase en todo su bosquejo al igual que lo observado en las figuras 13 y 14. Además, es particular encontrar en las micrografías de aleaciones de cobre maclas de deformación, las cuales son representadas de igual manera en la figura 15 por líneas rectas y paralelas. Apoyándose en las micrografías presentadas con anterioridad, es de vital importancia realizar un estudio de los porcentajes de porosidad presentes por área en las guías de válvulas fabricadas por la empresa MVM Ltda, pues se espera que exista una reducción de la porosidad al realizar un proceso de reprensado.

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Figura 16 Porcentaje de porosidad por área (100X) guía de válvula L47 reprensada

Tabla 11. Porcentaje de poros en el material de guías reprensadas

Zona Poros (%)

Zona superior (A) 3.8 - 5.4 Zona central (B) 6.3 - 7.3 Zona inferior (C) 2.8 - 4.1

B A

C

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Figura 17 Porcentaje de porosidad por área (100X) guía de válvula L47 sin reprensar.

Tabla 12. Porcentaje de poros en el material de guías sin reprensar

Zona Poros (%)

Zona superior (A) 5.1 - 8.9 Zona central (B) 7.4 - 12 Zona inferior (C) 3 - 5.3

Al analizar la tabla 11 y 12 se observa, que no existe una homogeneidad de la porosidad entre cada zona de la guía de válvula estudiada, es decir, los porcentajes de porosidad varían notablemente entre la zona superior, central e inferior. Por ser estas guías de válvulas fabricadas por un proceso de metalurgia de polvos, su porosidad varía entre cada pieza fabricada, es decir, la misma cantidad de poros

A B

C

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encontrados en una zona estudio, no serán los mismo que se encontrarán en otra guía de válvula de igual referencia y en la misma zona de estudio. Por otro lado, se observa en la tabla 11 y 12, que las zonas con mayor rango de porcentaje de poros fue a la zona central (B), lo cual se encuentra relacionado con los valores de dureza obtenidos. Mientras que los menores rangos de porosidad presentes en las guías fueron obtenidas para la zona inferior y superior. De estas tablas 11 y 12 se evidencia que el proceso de reprensado se encarga de disminuir la porosidad presente en las guías, lo cual se ve reflejado en los valores de dureza Brinell expuestos con anterioridad. 7.5 ANÁLISIS DE COMPOSICIÓN QUÍMICA MEDIANTE SONDA EDS. Se realizó un análisis de composición química mediante sonda EDS a la zona superior (A) de la guía de válvula L49 sin reprensar. Como se ha explicado anteriormente, la composición química de las guías L47 y L49 son las mismas, por lo que este análisis no variaría si se realizase a la guía L47 reprensada o sin reprensar. El objetivo de este análisis es observar si existe una homogeneidad de la composición química en la zona estudio, pues una de las posibles causas por la cual la prueba de dureza Vickers obtuvo valores tan fluctuantes entre cada indentación, se ve reflejado en la no homogeneidad de la composición química presente en el material o zona a estudio.

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Figura 18. Espectros de análisis de la composición química de guías de válvula.

Tabla 13. Porcentaje de los materiales presentes en espectro analizado

Espectro O Na Al Mn Fe Cu Zn Sn Total 1 99.39 0.61 100 2 22.61 1.25 66.54 5.05 4.54 100 3 20.37 1.18 72.53 2.74 3.17 100 4 2.55 66.99 29.09 1.37 100

Max 22.61 1.25 1.18 72.53 99.39 66.99 29.09 1.37 Min 2.55 1.25 1.18 66.54 99.39 0.61 3.17 1.37

La tabla 13 muestra los porcentajes de peso de cada uno de los materiales presentes en las zonas a estudio, cuyos nombres se observan en la figura 18 como espectros 1, 2,3 y 4. Como se observa de la tabla 13, se puede afirmar que los valores de dureza Vickers tuvieron grandes fluctuaciones debido a la poca homogeneidad de la composición química, es por eso que al indentar una zona con mayor porcentaje de cobre que de zinc, los valores de dureza registrados serán mayores. Por otro lado, es posible observar elementos como aluminio, hierro, estaño y manganeso en los espectros analizados, pues la empresa MVM Ltda adiciona otros elementos a la aleación base de cobre y zinc para que no se produzca deformaciones en la guía el momento del ensamblaje, esto ya comprobado por la empresa.

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8. CONCLUSIONES Después de haber analizado el efecto del reprensado y haber realizado todas las caracterizaciones de las propiedades mecánicas y tribológicas solicitadas por la empresa MVM Ltda se procede a listar las conclusiones para cada análisis realizado a estas piezas estudiadas. Dureza: Se evidencia que mediante un proceso de reprensado realizado a ambas guías, L47 y L49, se puede conseguir durezas Brinell y Vickers de mayor magnitud a comparación de las guías que son fabricadas únicamente bajo el proceso de sinterizado. Cabe resaltar, que bajo este proceso adicional de reprensado realizado a las guías de válvulas no se consigue una homogeneidad de esta propiedad en las diferentes zonas estudiadas, como si se evidenció en las guías de válvulas que son fabricadas sin este proceso adicional de reprensado. Por otro lado, los valores de dureza Vickers presentaron variaciones entre cada indentación, lo cual se debió a la porosidad presente y la poca homogeneidad de la composición química base. Los valores de dureza Brinell obtenidas para las guías de válvulas comercializadas fueron de mayor valor que los valores de dureza Brinell de las guías fabricadas por la empresa MVM Ltda. Desgaste: Se evidencia que mediante un proceso de reprensado realizado a las guías de válvulas L47 y L49 se consigue que se presente pérdida de masa aparente por parte de estas a comparación de las guías de válvulas fabricadas sin un proceso adicional de reprensado. Este resultado de pérdida de masa presentado por estas piezas mediante un ensayo de desgaste, indica, un posible positivo comportamiento que tendrán estas piezas al ser mecanizadas, pues se busca siempre, que el material sea removido en forma de viruta para no generar procesos extensos de mecanizado, aunque estos valores fueron muy insignificantes. No obstante, al analizar la pista dejada por el pin, se observó un mecanismo de desgaste de deformación plástica, lo cual es un factor negativo en el momento del mecanizado, pues el material no se desprenderá fácilmente, además, fue el responsable de que las guías no hayan presentado gran pérdida de masa. El coeficiente de fricción obtenido para las guías comercializadas fue un poco menor al valor presentado para algunas zonas de las guías fabricadas por la empresa MVM Ltda. No obstante, estos valores de coeficiente de fricción para las zonas estudiadas están por debajo o muy cercanos al valor estándar de coeficiente de fricción que existe en un contacto acero-latón, lo cual es positivo, ya que no existirá un sobrecalentamiento en la guía cuando esta esté puesta en

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funcionamiento debido a la alta fricción generada por el contacto entre el vástago de la válvula y la superficie interna de la guía. Con base a los análisis obtenidos se puede decir que las guías fabricadas por la empresa MVM Ltda ofrecen resultados inferiores a nivel mecánico-tribológico en comparación con las guías comercializadas tomadas como referencia. No obstante, existe la posibilidad de mejorar su homogeneidad en densidad y composición química mediante ajustes en parámetros empleados en el proceso de fabricación de estas guías o tacos de válvulas.

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9. RECOENDACIONES Se recomienda a la empresa MVM Ltda, estudiar y reconsiderar los parámetros empleados en el proceso de reprensado, pues con este proceso adicional realizado a las guías de válvulas, se obtienen mayores valores de dureza a lo largo de la longitud de la guía, pero con el inconveniente de no presentar una similitud u homogeneidad de esta propiedad. Además, se recomienda que las guías de válvulas sean reprensadas, pues con este proceso adicional se logra que exista una pérdida de masa aparente a largo de toda la guía al estar en contacto con otra superficie, pues esto ayuda a que estas piezas se dejen mecanizar más fácilmente. Por otro lado, se recomienda evaluar los parámetros empleados en el proceso de mezclado de los elementos aleantes, ya que mediante la prueba de dureza Vickers y análisis de composición química mediante sonda EDS se evidencia un poco de homogeneidad de los elementos presentes.

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