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Se desarrolla el proceso de la fabricación de camisas
Tipo: Ejercicios
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Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución"
No andar con melindres, con quejas y lamentaciones, sino a trabajar, a producir, a crear lo que necesitamos, a esforzarnos para construir la nueva sociedad. Ernesto Che Guevara
No existe en el mundo exceso más bello que el de la gratitud, pues le estaré eternamente agradecido a todas aquellas personas que forman parte de este esfuerzo, porque cualquier desvelo, preocupación o atención aunque pequeña siempre será recordado. A mi familia por su apoyo en todo momento y su ayuda que sin esta no hubiese llegado hasta aquí. A mis tutores Lázaro H. Suárez Lisca y Arnaldo Herrera Artiles por haberme guiado por el camino correcto. A mi novia Jessica Valero por su amor incondicional y por estar siempre a mi lado acompañándome en los momentos más difíciles. A todos mis compañeros que de una forma u otra me han ayudado a salir adelante, compartiendo a mi lado momentos que para mí son inolvidables. A todos muchas gracias.
En el presente trabajo se hace una revisión bibliográfica con el fin de establecer una metodología para la fabricación de las camisas del motor YUCHAI por fundición centrifugada, así como la recuperación de las mismas. Para la fabricación y recuperación de estas camisas se realiza un análisis metalográfico y de composición química con el objetivo de determinar algunas propiedades de las camisas, para establecer una metodología con el fin de realizar la fundición de las mismas y usar el método más adecuado para recuperarlas. Con el análisis metalográfico se determina el tipo de material de la aleación, la matriz que presenta el mismo, así como, la presencia o no de tratamiento térmico y también se determina con la composición química los elementos que componen la aleación. Se realiza un estudio de los principales defectos y las condiciones de trabajo en que operan estas. También se describe la metodología a seguir en el proceso de fabricación.
In this paper a literature review was done in order to establish a methodology for making cylinder liner for centrifugally cast YUCHAI engine and recovering them. For the manufacture and recovery of these cylinder liner metallographic analysis and chemical composition in order to determine some properties of cylinder liner, to establish a methodology in order to perform the casting thereof and use the most suitable method is performed to recover .The metallographic analysis determined the type of alloy material, the matrix having the same, and the presence or absence of heat treatment and is determined by the chemical composition the elements of the alloy. A study of the major flaws and working conditions in operating these is performed. The methodology to be used in the manufacturing process is also described.
En nuestro país existe un amplia gama de equipos, los que se someten a regímenes de explotación variable, provocando en sus piezas diferentes defectos siendo el desgaste por fricción el predominante sin embargo la solución para la recuperación exige de una diversidad de métodos para seleccionar en ellos el más adecuado para las características de cada pieza. Otra solución sería la fabricación de estas piezas pero para ello es necesario realizar determinados estudios de la misma para determinar sus propiedades y así elegir el material adecuado que garantice las exigencias de trabajo de la pieza.
La recuperación de las piezas no solo nos permite reducir considerablemente el costo de las reparaciones, sino que nos permite en ocasiones mejorar las propiedades de las piezas y disminuir gastos innecesarios en piezas de repuesto.
La Empresa Militar Industrial de Sancti Spíritus “Coronel Francisco Aguiar Rodríguez” desarrolla entre otras actividades la reconstrucción y reparaciones generales de diferentes medios de transporte y de sus agregados para el país.
Actualmente la empresa se encuentra enfrascada en desarrollar la reparación general de los motores YUCHAI de fabricación China que constituyen la fuente motriz de miles de equipos en explotación. Como vía de disminuir los costos de la reparación y de sustituir importaciones esta empresa prioriza los estudios y desarrollo de tecnologías para la recuperación y fabricación de diferentes piezas, entre las que se encuentran las camisas que son desechadas debido a fallas que presentan como agrietamiento, desgaste y rayado de la superficie interior de la camisa.
Problema técnico
Necesidad de la caracterización de las camisas del motor YUCHAI en cuanto a, dimensiones, desgaste permisible, composición química de la fundición, microestructura, existencia o no de tratamiento térmico total o superficial.
1.1. Introducción
En el presente capítulo se exponen los aspectos más generales de las camisas, los posibles métodos de recuperación, las características de la fundición gris particularmente en la fabricación de estas, así como la influencia de los elementos aleantes.
1.2. Características generales de las camisas de los motores de combustión interna
En algunos motores el cilindro es constituido por una "camisa" que nada más que es un tubo cilíndrico colocado en el bloque del motor y que posibilita la circulación de agua a su alrededor, así como una fácil sustitución en caso de desgaste. Las medidas internas de la camisa del cilindro vienen dadas normalmente por el fabricante, pero pueden ser rectificadas en caso de desgaste.
Durante la combustión, la presión de los gases en algunas circunstancias puede alcanzar valores del orden de 200 bares en los motores diésel modernos. Gran parte de esa carga mecánica es transferida a los segmentos del pistón del primer canal, causando en las regiones próximas a la inversión del movimiento de esos segmentos un elevado desgaste.
La energía mecánica generada en la camisa puede ser utilizada para el movimiento de la hélice de un barco o también para generar energía eléctrica para el caso de motores generadores, tanto en instalaciones fijas para suministro de la misma, así como en los barcos tanto para propulsión eléctrica como para suministro de energía eléctrica en el mismo (Wikipedia, 2016).
En las camisas de los cilindros de los motores se desliza el émbolo en su movimiento alternativo y dentro de la misma tiene lugar la explosión de la mezcla en su parte alta (Ariaz Paz, 1966). La camisa del cilindro es uno de los elementos que por su estado garantiza el óptimo funcionamiento del motor de combustión interna.
De acuerdo al tipo de camisa del cilindro que se utiliza, así como su ajuste al bloque cárter dependerá la rigidez de este último. Existen camisas secas y húmedas.
Figura 1.1. Camisa húmeda.
Las camisas húmedas extraen mejor el calor y se usan en los motores forzados. Los bloques- cárter de camisas húmedas son menos rígidos que los de camisas secas. Para aumentar la rigidez de las camisas húmedas su superficie externa se hace algunas veces con tendones circulares. Las camisas húmedas se refrigeran mejor y se pueden sustituir con facilidad cuando se deterioran, sin necesidad de quitar el motor del chasis. En este caso se montan camisas, émbolos y segmentos nuevos por lo que se encarece el costo a diferencia de las camisas secas. Para que conserve su forma geométrica, la camisa tiene dos resaltes anulares guiadores (uno arriba y otro abajo), siendo el diámetro del inferior algo más pequeño que el del superior. Las superficies de apoyo de las camisas húmedas se colocan en unos salientes anulares que tiene el bloque de cilindros cuya rigidez debe ser suficiente para que al apretar los espárragos se altere lo menos posible la forma geométrica de la camisa.
Las camisas húmedas ofrecen una mejor refrigeración del motor, y se emplea generalmente en motores de gran potencia, donde se necesita una mayor evacuación de calor. Las camisas húmedas son unos cilindros independientes que se acoplan al bloque que es completamente hueco. Se ajustan al bloque por medio de unas juntas de estanqueidad, para evitar que el agua
hierro fundido se le considera un material compuesto natural porque combina una matriz de acero (perlita) y carbono en forma de grafito que actúa disminuyendo el coeficiente de fricción además de actuar como lubricante sólido durante el funcionamiento del motor (Terán Ochoa, 2008).
La fundición gris (Barinov, 1988), (Petrov, 1988) es la más empleada, con una producción anual superior al resto de los metales fundidos, contiene carbono en forma de grafito laminar y cementita que se halla en la perlita. Las propiedades de la fundición gris dependen en gran parte de la cantidad de grafito, perlita y ferrita, como también de la forma y tamaño de las inclusiones de grafito. Las inclusiones de grafito debilitan la sección transversal de la matriz metálica en la dirección perpendicular a la aplicación de la fuerza de extensión externa y ejerce una acción "de entalla" en la matriz metálica.
1.4. Características fundamentales de la fundición gris La fundición gris es una aleación de hierro con contenidos variables de carbono (2,0 % – 4, %), de silicio (0,5 % – 3,5 %), de manganeso (0,5 % – 1,5 %), de fosforo (0,1 % – 1,05 %) y de azufre (hasta 0,15 %) (Terán Ochoa, 2008).
La formación de estructuras cristalinas en la fundición se realiza en el proceso de enfriamiento, de aquí la importancia en el control de la temperatura en todo momento, desde la preparación de la colada hasta verter el molde. Es así, que cualquier variación no controlada de temperatura cambia la estructura cristalina y el material se transforma en diferentes tipos de hierro fundido.
Las fundiciones son aleaciones de hierro-carbono y silicio en contenidos mayores del 1 %, generalmente contienen también manganeso, fósforo, azufre, etc. Son de mayor contenido en carbono que los aceros y adquieren su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca las fundiciones sometidas a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente. En general, no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse, pero existen algunas fundiciones que son excepción, las cuales son tenaces y tienen cierta ductilidad. En este grupo de excepción se incluyen las fundiciones maleables y otras especiales como las fundiciones “dúctiles” de grafito esferoidal (Pino, 2005a).
El mayor porcentaje de carbono hace que la temperatura de fusión de las fundiciones sea menor que la de los aceros y además se logra una mayor fluidez del material líquido, lo que permite el llenado de piezas de espesores menores y de formas complicadas, tienen una mejor colabilidad. Por otra parte, la menor temperatura de fusión permite que la interacción metal- molde sea menos agresiva y en consecuencia se pueden obtener piezas de mejor calidad superficial.
El bajo costo de estas fundiciones y su muy buena colabilidad han dado lugar a un extenso desarrollo de estas aleaciones en aplicaciones como: bloques de motor, camisas de pistón, engranajes, cuerpos de válvula, cojinetes de deslizamiento, autopartes y otras muchas piezas para maquinaria industrial y de todo tipo (Pino, 2005a).
Ventajas y desventajas de la fundición gris:
La Fundición gris es una aleación común en la ingeniería debido a su relativo bajo costo y buena maquinabilidad, lo que es resultado de las bandas de grafito que lubrican el corte y la viruta. También tiene buena resistencia al desgaste, debido a que las "hojuelas" de grafito sirven de autolubricante. La fundición gris posee una rotura frágil, es decir, no es dúctil, por lo que no presenta deformaciones permanentes importantes antes de llevarla a su tensión de rotura: no es tenaz. Al tener una alta tensión de rotura, pero baja ductilidad, casi toda su curva de tensión de alargamiento presenta muchas zonas en donde las tensiones son proporcionales a las deformaciones: tiene mucha resiliencia, es decir, capacidad de absorber trabajo en el período elástico o de deformaciones no permanentes. El silicio promueve una buena resistencia a la corrosión e incrementa la fluidez de la colada de fundición, la fundición gris es considerada, generalmente, fácil de soldar (Wikipedia, 2016).
Comparada con otras aleaciones de hierro modernas, el hierro gris tiene una baja resistencia a la tracción y ductibilidad; por lo tanto su resistencia al impacto es casi inexistente.
Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general en forma de grafito adoptando formas irregulares descritas como hojuelas, este grafito es el que les da la típica coloración gris a las superficies de fracturas en las piezas elaboradas con esta aleación.
Figura 1.3. Fundición gris perlítica a) con grafito laminar b) con grafito esferoidal.
Figura 1.4. Fundición gris. a) perlitoferrítica; b) ferrítica.
Fundición gris ferrítica (F+G) consta de ferrita y grafito laminar (figura 1.4 b), se obtiene siendo alto el contenido de silicio y carbono en las molduras de paredes gruesas y su lento enfriamiento en el molde. Las inclusiones de grafito son muy grandes. La fundición ferrítica posee propiedades mecánicas bajas, es muy blanda, frágil, se desgasta con rapidez, pero se maquina con facilidad.
El grafito de las fundiciones puede tener tres formas principales (Cardona, 2002):
Laminar, esferiodal y nodular.
Grafito laminar****. En la fundición gris ordinaria toma el grafito la forma de vetas pequeñas; este grafito se llama laminar. En la figura 1.5 a) se muestra la estructura de la fundición
ferrítica ordinaria con vetas de grafito; la vista espacial de estas inclusiones de grafito se reproduce en la figura 1.6 a).
Figura 1.5. Microestructura de la fundición con diversa forma de grafito. a) Forma laminar del grafito (fundición gris ordinaria); b) esferoidal (fundición de alta resistencia); c) rosetas (fundición maleable).
El grafito laminar reduce la resistencia de la fundición a la tracción, al impacto, a la abrasión (Pages, 2000) y también la elasticidad y la ductilidad (alargamiento relativo, resiliencia). Es posible reducir la influencia negativa del grafito en estas propiedades disminuyendo la cantidad y las dimensiones de las inclusiones, así como la aproximación máxima de su forma a la esferoidal. Sin embargo, presenta propiedades excelentes como la colabilidad, facilidad para el maquinado y la amortiguación de vibraciones y buena resistencia a la corrosión (superiores a los aceros). Se emplea en la fabricación de carcazas, bloques, cuerpos de válvulas, cuerpos, estructuras y elementos de maquinaria agrícola y bancada de máquinas de herramientas (Castro, 2009), y es una de las preferidas para los cojinetes de deslizamiento (Petrov, 1988).
Figura 1.6. Aspecto exterior de las inclusiones de grafito en la fundición a) inclusiones laminares; b) esferoidales.
son grafitizantes durante la etapa eutéctica, sin embargo no lo son en la etapa eutectoide, por poner un ejemplo.
Los elementos de aleación con orbítales 3d más ocupados que el hierro se conocen como grafitizantes, los elementos representativos son el silicio, el aluminio y el fósforo, mientras que aquellos con orbitales 3d menos ocupados que el hierro son elementos que se oponen a la grafitización.
Efecto del carbono
El carbono es sin lugar a dudas, después del hierro, el elemento más importante. Se le puede encontrar combinado con el hierro en forma de carburo (cementita con 6,67% C) o en el estado libre de grafito (carbono libre o grafítico).
Entre los factores que influyen en que el carbono se encuentre en una u otra forma están la velocidad de enfriamiento y la presencia de elementos grafitizantes. Un enfriamiento lento y la presencia de silicio, níquel, cobre, etc.; facilitan la formación de grafito, por lo que la solidificación se puede explicar mediante el empleo del diagrama estable (Van de Velde, 2000). La forma, cantidad, tamaño y distribución de las láminas de grafito deben ser controladas cuando se requiere obtener fundiciones de calidad (Ghaderi, 2003). Por otra parte, un enfriamiento rápido o la presencia de agentes formadores y/o estabilizadores de carburos como el cromo y el molibdeno, dan lugar a la formación de carburos y entonces la solidificación se explica a través del diagrama metaestable. El hierro que se obtiene así presenta elevada dureza y no puede ser mecanizado con los medios normales en las máquinas herramientas.
Efecto del silicio
Algunos autores como (Krause, 1969), (Janowak, 1987) y otros, plantean que el silicio disminuye la solubilidad del carbono en la austenita y favorece la difusión del carbono, por lo que favorece la formación de grafito a partir de la descomposición de los carburos primarios.
El silicio presenta una solubilidad en el hierro a 20 ºC de 15% aproximadamente, además eleva el punto A 3 y baja el A 4 y cierra totalmente la cuña que forma la región gamma. Cuando el silicio alcanza contenidos cercanos al 2%, el hierro asume la estructura ferrítica. El efecto
de este elemento en el hierro provoca endurecimiento de la ferrita, pero disminuye su tenacidad.
El silicio se necesita por dos razones. Una pequeña cantidad para garantizar la fluidez del metal fundido y producir escoria fluida, pero de igual manera es importante su efecto sobre la dureza. El silicio tiene un efecto negativo en las fundiciones grises, debido a que favorece la formación de ferrita libre y al aumento que origina en la temperatura A 1 , reduce la dureza de la perlita al favorecer su formación a temperaturas más altas, con lo que induce a la formación de perlita basta y como consecuencia produce efectos negativos sobre la resistencia (Janowak, 1987).
Las cantidades de silicio presentes en el hierro fundido deben ser calculadas teniendo en cuenta el carbono total, la velocidad de enfriamiento y el espesor de la pieza. Por su parte (Janowak, 1987) proponen un nomograma, en papel logarítmico que permite la determinación de la resistencia a la tracción básica, a partir del carbono equivalente (CE) y el espesor de las piezas en fundiciones grises no aleadas.
Efecto del manganeso
Un contenido de hasta 1.5% de Mn influye positivamente en las propiedades mecánicas de la fundición gris. Sin embargo el papel primario del manganeso en las aleaciones ferrosas, es su efecto sobre el azufre, elemento que tiene mayor afinidad con el manganeso que con el hierro, por lo que se forma preferentemente el sulfuro de manganeso al del hierro, lo cual favorece a las propiedades mecánicas, como es bien conocido. Muchos autores entre los que se encuentran (Anderson, 1998), (Shackelford, 1996), (Askeland, 1991) señalan que la cantidad necesaria de manganeso para neutralizar el efecto del azufre se puede calcular a través de la expresión (%Mn = 1,7* %S + 0,3). Por eso sólo el exceso de manganeso sobre esta cantidad es la que puede considerarse como elemento aleante sobre el hierro.
El manganeso en cantidad superior a la necesaria para compensar el azufre, retarda la formación de ferrita y afina moderadamente la perlita. Es un fuerte promotor de perlita, ya que estabiliza la austenita al aumentar la solubilidad del carbono en ella y también reduce la temperatura de equilibrio de formación de ferrita.
