Basados en resul-tados obtenidosen pruebas delaboratorio quedemuestran la

factibilidad de introducircantidades adecuadas deplomo en los bronces alaluminio y que la influen-cia del plomo en el coefi-ciente de fricción esfavorable, se diseña unaaleación cu-al-Pb parauna aplicación específicacomo son los cojinetes delocomotoras de ferrocarril,constituyéndose esta nue-va aleación en una alterna-tiva frente al bronce alestaño plomo.

Introducción

en un artículo anterior sepresentaron resultados quedemuestran la factibilidadde introducir plomo a los

bronces al aluminio, en can-tidades suficientes y con unadistribución adecuada, demanera tal que pueda des-arrollar, en esta aleación,propiedades antifricción.

Posteriormente se realizóun estudio del comporta-miento frente al desgaste,de varias aleaciones cu-al-Pb . los resultados obteni-dos en forma resumida sepresentan a continuaciónen las Figuras 1 a 4.

el desgaste volumétricoprovocado por la interac-ción pin-on-disc de cadaprueba fue evaluada apartir de la pérdida demasa convertida a perdidade volumen dividiendopor la densidad de las ale-aciones determinada enlas etapas previas del pre-sente estudio.

Tito Zegarra VerásteguiInstItuto de InvestIgacIones

MetalúrgIcas y de MaterIales

Universidad Mayor de San Andrés

titozegarra@yahoo.com

64

Bronce al Aluminio...:Maquetación 1 14/05/10 08:19 Página 64

65

los datos se grafican (Fi-guras 3 y 4) como DesgasteVolumétrico – versus – Ten-sión de Carga a velocidad yrecorrido de deslizamientoconstantes de 100 rpm y 300m respectivamente.

de estos resultados seconcluye que:

• la introducción deplomo en los bronces al alu-minio permite bajar el coe-ficiente de fricción y eldesgaste.

• se evidencia un cambioen el mecanismo de des-gaste debido a la introduc-ción de plomo.

• a partir de la introduc-ción de 7% de plomo se evi-dencia una marcada influencia de la presencia de plomo.

Determinción de la aleación adecuada

Para la determinacióndel material adecuado, ini-cialmente se debe identifi-car la pieza para laaplicación industrial, eneste trabajo se identificó alos cojinetes de locomotorade ferrocarril coma la piezapara la aplicación indus-trial. los planos de dichapieza se observan en la fi-gura 5.

seguidamente se debedefinir lo que es un cojinete.

el cojinete de desliza-miento se compone de dos

Bronce al Aluminio...:Maquetación 1 14/05/10 08:19 Página 65

66

partes, el muñón o gorrónque es una pieza cilíndricagiratoria u oscilante y elmanguito que le rodea quepuede ser, según los casos,estacionario o móvil. Final-mente se debe clasificar lapieza dentro de la gran va-riedad de cojinetes. en esesentido se puede decir que:

• según como rodea elmanguito al muñón, es uncojinete parcial o partido

• según el tipo de coji-nete es un cojinete de desli-zamiento

• según la dirección enque soportan las cargas esradio axial

• según las condicio-nes de trabajo es lubricado

• según las condicio-

nes de lubricación que seestablece durante su funcio-namiento puede ser: Hidro-dinámico, mixta y límite omarginal

Para entender de mejormanera este último punto,que es de gran importancia,se debe comprender en quéconsiste cada uno de los re-gímenes de trabajo de los co-jinetes de deslizamiento.

Ecuación de Petroff

el rozamiento de los coji-netes fue explicado por pri-mera vez por Petroff,considerando el eje delmuñón concéntrico con eldel manguito.

Para eso considera un ejevertical que gira en un coji-nete, suponiendo que entreel muñón y el manguitoexiste una holgura que seencuentra llenado por un lu-bricante (aceite) y que lasfugas del mismo son despre-ciables como se ve en la fi-gura 6.

sea "r" el radio delmuñón, "h" la holgura y "l"la longitud de contacto entre

el muñón y manguito, si eleje gira a "n" r.p.m., su velo-cidad vendrá dada por:

v = π ∙r ∙n30 h lcomo el esfuerzo tangen-

cial debido al rozamientodel lubricante es, según lafórmula dada por newtondonde:F = Fuerza de arrastreF=s vhs = superficie deslizante s=2 π r lv = velocidad relativa dedesplazamientoh= Holguraπ r l = viscosidadentonces:el par de torsión que generaF vendrá dado porM=F r =2 π2 r3 l n30 h

Por otro lado sea Q lafuerza normal que actúasobre el cojinete, la presiónespecífica o fuerza por uni-dad de proyección de la su-perficie lateral del muñónsobre un plano paralelo a sueje P es:P = Q2 l rsi μ es el coeficiente de fric-ción, la fuerza de roza-miento r será:

r =Q μ =2 r l μ Pel par de rozamiento será:Mr =r r =2 r2 l μ PIgualando M y Mr se tieneμ = π2 n rP h 30

esta ecuación relaciona elcoeficiente de rozamientocon la viscosidad y recibe elnombre de ecuación de Pe-troff y muestra que los pará-metros μ, n/P y rh, son muyimportantes

Figura 5. Planos de cojinete de locomotora de ferrocarril

Figura 6. Esquema de cojinete eje

Bronce al Aluminio...:Maquetación 1 14/05/10 08:20 Página 66

67

Basados en el primer pa-rámetro se puede compren-der mejor el tipo delubricación que se estableceen el cojinete y la base parael diseño de los cojinetes esel segundo parámetro. se-guidamente se amplía elanálisis de la importancia deestos parámetros.

Curva de Stribeck

la curva de stribeck rela-ciona la el coeficiente de fric-ción μ con el primerparámetro presentado µ nP.

esta curva queda presen-tada en la figura 7.se pue-den observar 3 zonas:

Zona 1. lubricación enrégimen límite. el coefi-ciente de fricción es alto de-bido a que existe uncontacto directo en las su-perficies y no varía con elcambio del parámetro destribeck π (n/P), este de-pende de las propiedades delas superficies que se en-cuentran en contacto y del

lubricante presente exceptola viscosidad.

Zona 2. definida entre lospuntos a y B. tiene mayorespesor la película de lubri-cante, que en la zona 1, sinembargo se mantienen encontacto las crestas de lasmicroirregularidades su-perficiales. en estas condi-ciones, se establece elrégimen llamado semi-li-mite o mixto, el coeficientede fricción disminuye aligual que la temperatura enla medida que exista mayorcantidad de lubricanteentre las superficies.

Zona 3. lubricación enrégimen hidrodinámico. enel punto B la capa de lubri-cante tiene el mínimo espe-sor posible para que no setoquen las crestas y en estascondiciones se logra que elcoeficiente de fricción seamínimo. Para elevados va-lores del parámetro de stri-beck, estos propicianespesores de capa mayores,y se producen incrementosdel coeficiente de fricción,ya que además, existe roza-miento entre las capas delubricante.

la mejor condición detrabajo de los cojinetes seencuentra en el B de lacurva de stribeck debido aque delimita la zona establede la inestable, puesto queproporciona un rozamientomínimo con prácticamentedesgaste nulo. en la prác-tica se prefiere trabajar lige-

ramente a la derecha delpunto B para tener un mar-gen de seguridad. ahorabien, para avanzar en nues-tro propósito de elegir elmaterial adecuado para lafabricación de cojinetes delocomotora, se debe anali-zar las características deldeterioro de este tipo depieza.

Deterioro en cojinetes dedeslizamiento

los cojinetes de desliza-miento pueden sufrir va-rios tipos de deterioroscomo ser: ralladuras, des-gaste acelerado, deposicióndel metal antifricción en elmuñón, producto de las si-guientes causas:

• Fatiga• corrosión• Partículas en el lubri-

cante• Falta de lubricante o

viscosidad insuficiente• desalineamientos• altas presiones• combinación inadmi-

sible de cargas y velocida-des

si se quiere evitar el de-terioro prematuro del coji-nete, este debe ser diseña-do cuidadosamente. Paraesto es importante analizarlas condiciones de trabajo ycon ello decidir qué criterioemplear para diseñar el co-jinete. en los cojinetes quetrabajan en lubricación lí-mite y semi-límite se debegarantizar la resistencia a

Figura 7. Curva de Stribeck

Bronce al Aluminio...:Maquetación 1 14/05/10 08:20 Página 67

las cargas a que estará so-metido y prevenir el des-gaste adhesivo. a loscojinetes que trabajan encondiciones de lubricaciónhidrodinámica, se les veri-fica que no exista el contactoentre las superficies delmuñón y el cojinete y que latemperatura del lubricanteno exceda la admisible.

en la figura 8 se presentaun diagrama de orienta-ción de los criterios de cál-culo de los cojinetes dedeslizamiento en depen-dencia del régimen de lu-bricación.

en las condiciones detrabajo de los cojinetes dedeslizamiento, existe bási-

camente posibilidades dedesgaste adhesivo (con-tacto entre superficies portener una delgada capa delubricante que no impide elcontacto de las salientes) ydesgaste abrasivo productode partículas en el lubri-cante proveniente del exte-rior o de las limaduras quese producen en el desgasteadhesivo y en consecuencialas características del mate-rial juegan un rol impor-tante en el control deldesgaste.

se debe entonces recor-dar las características reco-mendadas para el controldel desgaste de este tipo depiezas. en ese sentido se

tienen las siguientes reco-mendaciones:

Control de desgaste abrasivo

Para el control del des-gaste abrasivo de los cojine-tes de deslizamiento, serecomienda regular los pa-rámetros: (Fig 8.b)

entonces debe elegirseun material que tenga unarelación determinada dedureza con el muñón, quede manera simple puedeser expresado de la si-guiente manera:

• la relación de durezadel material del muñón y elcojinete debe ser menor a 1,3.

• la dureza del muñóndebe ser mayor que la du-reza del cojinete en una

Figura 9

Figura 8. Criterios de cálculo de cojinetes de deslizamiento

Figura 8.b

Fuente: elaboración propia

68

Bronce al Aluminio...:Maquetación 1 14/05/10 08:20 Página 68

69

magnitud menor que 150unidades brinell. conestas restricciones sepuede intentar aproximarla composición del mate-rial para el cojinete, a par-tir de la dureza delmaterial utilizado para elmuñón.

en la Figura 9, se pre-senta una relación de dure-zas para diferentes niveles

de cumplimiento de la pri-mera condición.

como se puede notarcon todas las durezas ob-tenidas para las diferen-tes relaciones de durezasdel muñón y el cojinete,se cumple el segundo re-quisito referente a lamagnitud de la diferen-cia de durezas.

se puede tambiénnotar que a medida quela dureza del eje se hacemayor, la relación de du-rezas juega una influen-cia más significativa. en

consecuencia dejarseguiar por la relación dedurezas es adecuado.Para nuestro caso se de-cide seguir una relaciónde dureza de 1.2, paradeterminar la dureza delmaterial con el que debefabricarse el cojinete.

de acuerdo a informa-ción verbal de técnicosde la empresa de Ferro-

carriles, para la fabrica-ción de los ejes (muñón)que trabajan en contactoscon los cojinetes, regu-larmente se utiliza aceroal carbono sae 1045, loque es coincidente conlas recomendaciones queaparecen en bibliografíapara este tipo de partes.

este tipo de acerosegún datos bibliográficosen su condición de esti-rado en frio tiene una du-reza de 179 HB. ahorabien, si se considera lasdiferentes alternativas ba-sadas en la relación de

dureza, el material del co-jinete debe tener una du-reza que oscila entre 137y 162 HB. asumiremosuna media de 150 HB.

revisando las durezasque desarrollan los bron-ces al aluminio, se notaque el bronce al aluminiosin otros aleantes no po-dría alcanzar esta du-reza, razón por la cualdebe introducirse otrosaleantes que pueden in-crementar la dureza delmismo, estos elementosson Fe, Mn y ni. según lanorma unificada elbronce c95400 desarrollauna dureza de 160 HB .se espera que la intro-ducción de plomo baje ladureza al nivel preesta-blecido.

a este bronce se ledebe añadir 10% deplomo que es el nivel enel que se presentan lasmejores condiciones detrabajo frente al des-gaste.

en consecuencia la ale-ación a fabricarse para laaplicación en cojinetes delocomotoras de ferroca-rril debe tener la si-guiente composición:

al : 10 – 11,5%Fe : 3 – 5 %ni : 1,5 %Mn : 0,5%Pb : 10%cu : resto

Figura 10. Esquema de colada para la fabricación del cojinete

Bronce al Aluminio...:Maquetación 1 14/05/10 08:21 Página 69

Aplicación Industrial

Para la fabricación delos cojinetes, se debe teneren cuenta las característi-cas metalúrgicas de estetipo de los bronces al alu-minio que inciden en la fa-bricación de piezasfundidas, estas son: la sus-ceptibilidad a la oxidacióny su contracción durantela solidificación.

un análisis de la condi-ciones para realizar la co-lada de esta pieza en elmaterial propuesto arrojael resultado presentado enla Fig 10.

las dimensiones decada uno de los compo-nentes fueron determina-das con ayuda de softwaredesarrollado en el Insti-tuto de InvestigacionesMetalúrgicas de la univer-sidad Mayor de san an-drés de la Paz, Bolivia

Conclusiones

antes de presentar lasconclusiones, se debehacer notar que este tra-bajo debe considerarsecomo inicial, debido a quese trata de un nuevo mate-rial del que no se tienenreferencias. con esa acla-ración, se puede concluiren lo siguiente.

el bronce al aluminiocon plomo (al : 10 – 11,5%,Fe : 3 – 5 %, ni : 1,5 %, Mn: 0,5%, Pb : 10%, cu : resto)

presenta todas las caracte-rísticas necesarias paraque pueda ser utilizado enla fabricación de cojinetesde locomotora de ferroca-rril.

Agradecimientos

el autor desea hacer lle-gar sus agradecimientos alIIMetMat de la uMsa,por su cooperación funda-mental para el desarrollo yel financiamiento del tra-bajo. de igual manera a laempresa sIIF que en brevepondrá en aplicación losresultados obtenidos. n

Bibliografía

1) aFs Metalcaster´s referenceguide

2) calIXto rodrIgueZ Mar-tInea, notas de tribología, universi-dad de oriente cuba

3) g. gonZales rey, a. gar-cÍa toll, t. ortIZ cardenas.elemento de Maquinas. cojinetes dedeslizamiento. transmisiones Mecá-nicas

4) oMar lInares o. tribologíay Mantenimiento Proactivo, Widman,International s.r.l., santa cruz, Boli-via

5) Pero – sanZ elorZ(1988).Materiales Metálicos. editorial dossats.a.

6) Zegarra tIto (2005), ¿Porqué seleccionar los bronces para suaplicación industrial? Instituto de In-vestigaciones Metalúrgicas y de Ma-teriales, universidad Mayor de sanandrés, la Paz Bolivia

7) Zegarra tIto – rodnyBalanZa uMsa. Informe finalProyecto: desarrollo de una aleaciónantifricción alternativa (cu-al-Pb)para la fabricación de cojinetes de lamaquinaria que utiliza la industria dela región y el país

70

Bronce al Aluminio...:Maquetación 1 14/05/10 08:21 Página 70