DETERMINACIÓN DE LAS CAUSAS QUE PROVOCAN DEFECTOS DURANTE LA MANUFACTURA DE COJINETES DE DESLIZAMIENTO

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1 DETERMINACIÓN DE LAS CAUSAS QUE PROVOCAN DEFECTOS DURANTE LA MANUFACTURA DE COJINETES DE DESLIZAMIENTO Jorge L. Romero Hernández, Armando Ortiz Prado, Roberto Cisneros Hernández Departamento de Materiales y Manufactura, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Circuito exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, D. F., C. P , México Teléfono: (55) Fax: E mail armandoo@servidor.unam.mx 1. Resumen En el presente artículo se revisan los diferentes materiales empleados en la producción de cojinetes de deslizamiento, correlacionado dichos materiales con los diferentes métodos de producción empleados para su manufactura. Lo anterior ha permitido correlacionar los defectos que se presentan en los cojinetes de deslizamiento con su particular método de producción, para con esto precisar las causas de dichos defectos. Abstract In this paper the different tribological materials used in the production of slide bearings are reviewed, correlated these materials with the different production methods of manufacturing. The previous thing has allowed to correlate the defects that appear in the slide bearings with their particular production method, towards this to need the causes these defects. Palabras Clave: Cojinetes de deslizamiento, materiales tribológicos, defectos de manufactura. Key words: Slide bearings, Tribological Materials, Manufacturing defects. 2. Introducción En términos de mecanismos, un cojinete se define como una pieza o conjunto de piezas en las que se apoya y gira el eje de un dispositivo mecánico [1]. Sin embargo, la definición más clara esta en términos de sus funciones y éstas definen al cojinete como aquel elemento interpuesto que permite la rotación relativa alrededor de un eje fijo y cuya función principal es absorber el desgaste, reducir las fuerzas de fricción y permitir la transmisión de carga y par en dirección perpendicular[2][3][4]. La definición es clara y dentro del concepto de cojinete se encuentran varios tipos de elementos mecánicos que cumplen satisfactoriamente tales funciones, como son los que contienen elementos rodantes, es decir rodamientos; así como aquellos geométricamente más sencillos, tales como los cojinetes de deslizamiento, cuyas condiciones de manufactura es el fundamento del presente trabajo. En ambos casos, la lubricación limita la fricción mediante una capa de líquido de baja viscosidad presurizado. En su ausencia, únicamente la selección adecuada de los materiales de las superficies en contacto y el adecuado procesamiento de estos pueden limitar los efectos de fricción y desgaste. Otro aspecto interesante es la configuración geométrica de los cojinetes de deslizamiento; con un espesor de material tribológico del orden de milímetros y una elevada resistencia a la compresión y a la fatiga de éste, para así limitar el ancho del cojinete y por consecuencia las dimensiones de la bancada y por ende las del motor en general. Todo lo cual es esencial para dar cabal cumplimiento a las restricciones de diseño, para así elevar la eficiencia de los motores de combustión interna, orientando las mejoras e innovaciones al campo de la Ingeniería de los Materiales. 759

2 Figura 1. Cojinetes Anti-Fricción y de deslizamiento. Dada la naturaleza de servicio de estos elementos mecánicos, el desgaste es inevitable debido a los regímenes de velocidad y carga involucrados, y en la literatura es común encontrar catálogos de fallas de cojinetes con cierto periodo de servicio, con lo cual es relativamente sencillo determinar la causa de la falla y establecer las acciones correctivas correspondientes, sin embargo, en pocas ocasiones estos catálogos clasifican las fallas de acuerdo al material tribológico del cojinete, o bien, al método de conformado empleado, lo cual, sin duda, es de gran importancia para determinar las acciones correctivas. 3. Materiales para cojinetes Los materiales tribológicos de los cojinetes han ido variando a través del tiempo pasando desde los Babbits para condiciones de baja velocidad y presión, los de tipo trimetálico de Cobre-Plomo recubiertos de Babbit hasta los de Aluminio-Estaño y variaciones de estas aleaciones, los cuales se han popularizado sobre todo en cojinetes para motores de gasolina. Estructuralmente la configuración del cojinete automotriz consiste en un respaldo de acero de bajo contenido de carbono (material base), el cual proporciona rigidez y estabilidad dimensional, y una capa cuya composición es una aleación blanda con las propiedades esenciales que definen al cojinete, es decir, cumple con las propiedades mecánicas químicas y térmicas requeridas. Esto es el material tribológico deberá cumplir una serie de requisitos; resistencia a la compresión, a la fatiga, incrustabilidad, compatibilidad, resistencia a la corrosión, conformabilidad, dureza, temperatura de fusión, conductividad y dilatación térmica. A lo anterior habrá que sumar factores económicos y de reciclaje. Dada la combinación de propiedades que se requiere en el material tribológico y que en ocasiones varias de ellas están en contraposición es claro que no existe un solo material que pueda reunir satisfactoriamente todas las características mencionadas [5][6][7]. Para lograr reunir todas las características, requeridas se combinan diferentes materiales acoplados en capas sucesivas sobre un material base llamado casquillo (generalmente un acero de bajo carbono) el cual ofrece resistencia y estabilidad dimensional. Figura 2. Configuración geométrica y estructural de los cojinetes a) bimetálicos y b) trimetálicos. 760

3 Por otra parte, es pertinente mencionar que tanto para el diseño como la selección de materiales, se debe considerar las condiciones de operación que particularmente deberá cumplir el cojinete de deslizamiento. En la tabla 1 [8] se presentan a grandes rasgos los niveles de operación de los cojinetes en motores modernos. Tabla 1. Valores críticos en parámetros de diseño de cojinetes. Parámetros Mínimo espesor de película: Máxima velocidad de corte en la película lubricante: Máxima temperatura de operación: Carga específica: Máxima presión en la película: Viscosidad dinámica del lubricante: Pérdida de potencia por cojinete (alta velocidad): Flujo de lubricante por cojinete (valor típico): Valores críticos 1 µm 10 7 s ºC 40 MPa 250 MPa Pa-s 0.25 kw s -1 La carga específica, la cual se define como la carga que soporta el cojinete por unidad de área, ésta se encuentra relacionada directamente con la vida del cojinete, ya que la superficie del cojinete está sometida a fatiga y la presión máxima junto con el ciclo de aplicación de la carga definirá la vida del cojinete. Entre más grande sea el cojinete, menor será la carga específica (dado que tendrá una mayor área), pero por otro lado, un cojinete más grande implica que las perdidas por fricción se incrementarán y el gasto del lubricante deberá ser mayor, esto además de impactar en las dimensiones del propio motor. Como antecedente inmediato, en la gama de materiales para la manufactura de cojinetes planos de deslizamiento se encuentran los Babbits; se trata de toda una familia de aleaciones, basadas en Plomo-Estaño, las cuales resultan muy efectivas, especialmente cuando son electrodepositadas formando películas delgadas sobre un sustrato más resistente. Su baja dureza permite la incrustación de partículas evitando así que éstas impacten en el desgaste al mantenerse en el seno del lubricante. Las aleaciones Cobre-Plomo ofrecen una mejor resistencia mecánica que los babbits, sin sacrificar la presencia de una fase blanda de bajo punto de fusión. El diagrama de fase binario que corresponde a estas aleaciones es monotéctico y los dos elementos son insolubles en estado sólido. En estado líquido, se forman dos fases no mezclables, generando considerables problemas debido a la segregación gravimétrica. Estos inconvenientes se superan por medio de la metalurgia de polvos. La resistencia a la corrosión de las aleaciones cobre-plomo es baja, especialmente si el medio ambiente está contaminado por azufre, por lo cual es común que se aplique un recubrimiento electrolítico de Babbit en la superficie de las piezas. Esto explica el nombre de cojinete trimetálico: el babbit es electrodepositado sobre una superficie de cobre-plomo, la cual es sinterizada sobre un respaldo de acero. En cuanto a las aleaciones AlSn, por lo general con adiciones de cobre y silicio, su proceso de fabricación es más sencillo que la pulvimetalurgia que caracteriza a los cojinetes trimetálicos. Una cualidad importante de estas aleaciones es su excelente resistencia a la corrosión, lo cual permite emplearlos sin necesidad de un recubrimiento de Babbit. La familia de aleaciones tribológicas basadas en aluminio se divide en aquellas con alto contenido de estaño, alto contenido de plomo, medio estaño, bajo estaño y las libres de estaño. Éstas se caracterizan por su buena 761

4 resistencia al desgaste y a la fatiga, además de una alta capacidad de carga, buena conductividad térmica y excelente resistencia a la corrosión. Lo anterior permite su empleo sin recubrimiento, lo que aunado a que su procesamiento es por colaminado se traduce en una sensible reducción en el costo de producción. Los materiales antes mencionados se consideran como los típicos para la manufactura de cojinetes de deslizamiento de empleo automotriz, sin embargo la demanda de características específicas ha dado como resultado el empleo de soluciones que pasan por los cojinetes antifricción o de materiales atípicos como el Vesconite de composición polimérica, o compuestos de matriz metálica con revestimiento polimérico como el polioximetileno (POM) y el politetrafluoruetileno (PTFE), todos ellos con propiedades mecánicas comparables a las del cojinete tradicional en regímenes de carga menor. 4. Manufactura de cojinetes Los cojinetes de deslizamiento se producen por diferentes métodos, dependiendo de los materiales seleccionados, utilizándose la pulvimetalurgia y el depósito de metal líquido sobre la cinta de acero para los trimetálicos CuPb, mientras que la colaminación para el grupo de las aleaciones aluminio estaño. El proceso de producción de los cojinetes de bancada y biela da inicio cuando la cinta de de acero AISI/SAE 1010 (calibrada previamente en cuanto a espesor y dureza) se recubre, ya sea por inmersión en caliente, sinterizado, colaminado o deposición electrolítica. La cual posteriormente se corta en tiras o galletas y se forman los cojinetes dándoles la configuración debida (Figura 3), para posteriormente proceder al maquinado y en su caso al recubrimiento electrolítico, obteniendo así las piezas terminadas. Los cojinetes para árbol de levas se producen por dos métodos básicos. La mayoría se hacen de un tubo de acero sin costura con un material de revestimiento en su interior, entonces se corta el tubo en secciones y se maquina según sea necesario. Por otra parte, los cojinetes de árbol de levas para aplicación en servicio pesado se forman de una cinta de acero plano que tiene un material de revestimiento colaminado o sinterizado, dicha cinta es cortada y conformada de tal manera que forma una circunferencia al ser engargolados los extremos. Figura 2. Etapas de la manufactura de cojinetes mediante el conformado de cinta. 5. Inconvenientes en la manufactura que se traducen en fallas de los cojinetes Las propiedades mecánicas de los cojinetes resultan de la distribución y características de las fases presentes así como del tamaño de grano. La metalografía de los diferentes materiales permite estimar su calidad del material, a la vez de arrojar información con relación a las causas de algunos de los inconvenientes que se presentan. Con la finalidad de facilitar el estudio se han agrupado los defectos típicos para cada material. 5.1 Babbits Porosidad. Esto se presenta para el caso de que el material tribológico ha sido aplicado por inmersión de la cinta de acero en el babbit fundido, por lo que el defecto se detecta durante el maquinado. Los defectos se presentan como 762

5 aparentes indentaciones (figura 4) de apenas unos micrómetros en la superficie del cojinete. Este tipo de inconvenientes se origina en la acumulación de impurezas en la fundición así como en la presencia de marcas superficiales como ralladuras o picaduras, teniendo especial énfasis la limpieza de la superficie receptora. Figura 4. En este caso, la falla se origina por la acumulación de impurezas en la fundición, las cuales, durante su combustión, generan gases que propician la formación de burbujas. Rugosidad. Considerando al babbit como un recubrimiento de los cojinetes, que no solo aporta incrustabilidad y resistencia a la corrosión, sino también el acabado final de la pieza, resulta un inconveniente la presencia de rugosidad en la superficie de la pista de trabajo del cojinete (Figura 6). Este tipo de defectos se origina en las condiciones de operación del baño electrolítico, en particular en lo que se refiere a la limpieza, densidad de corriente y a la concentración de pectina. 763

6 Figura 5. Mediante Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), se aprecia en corte transversal que la rugosidad manifestada no proviene de la base sinterizada, sino que es un defecto en la deposición del recubrimiento. Superficialmente, el aspecto que presenta es debido a la formación y crecimiento de aglomerados de babbit. Discontinuidades. En caso de que la superficie del cojinete no tenga la limpieza y desengrase adecuados, el depósito electrolítico evidenciará dicha deficiencia en forma de discontinuidades, dejando al descubierto zonas del material base (figura 6). Figura 6. Imágenes correspondientes a corte transversal y vista superficial en zona de discontinuidades. Manchas. Si bien, el problema de manchado (Figura 7) solo afecta la componente estética del producto y no su funcionalidad, es un aspecto que implica mermas significativas en cuanto a la productividad generando rechazo por 764

7 parte del consumidor. En este caso, el defecto es una manifestación de la presencia de contaminantes en los baños electrolíticos. Figura 7. Aspecto general del defecto por manchas. 5.2 Aleaciones Cu-Pb Las aleaciones CuPb para cojinetes se aplican mediante fundición y vaciado continuo de la aleación sobre la cinta de acero ó también mediante el sinterizado del polvo de la aleación sobre la cinta. En el caso de la aplicación de la aleación mediante colado y enfriamiento continuo de la aleación sobre la cinta se presentan los siguientes defectos: Distribución heterogénea de fases. Dadas las características metalúrgicas de la aleación y con base en las condiciones de aplicación se tiene que los cojinetes a menudo revelan una microestructura deficiente en cuanto a la distribución de fases presentes (Figura 8), lo que ocasiona un comportamiento heterogéneo el cual afecta la operación del cojinete, su duración y confiabilidad. 765

8 Figura 8. Imágenes correspondientes a una misma pieza pero en diferentes zonas, con lo que se muestra la distribución heterogénea de fases en una microestructura dendrítica. En cuanto a los cojinetes obtenidos mediante el proceso de sinterizado de polvo cobre-plomo sobre cinta de acero, la falla común se da en relación al sinterizado de los granos. Porosidad. Se considera la falta de conectividad entre los granos (figura 9), la principal causa de este defecto, aunque se debe considerar el carácter geométrico de los mismos, ya que idealmente la morfología de los granos debe de ser esferoidal, sin embargo comúnmente se presentan en formas totalmente irregulares que propician este tipo de inconvenientes. Figura 9. Cortes transversales en zona de porosidad. 5.3 Aleaciones Al-Sn Generalmente, la incorporación de la aleación AlSn, como material tribológico, es mediante el laminado sobre la cinta de acero. El colaminado, o laminado conjunto, requiere previamente el conformado termomecánico de la cinta de AlSn hasta las condiciones dimensionales y de propiedades óptimas. Posteriormente es necesaria la recristalización de los materiales colaminados, sin embargo, ya como producto final se exhibe las condiciones de este último tratamiento. Distribución heterogénea de fases. Siendo el estaño el principal elemento aleante, esté no deberá mostrar geometrías con fuerte deformación (listones) en el sentido de laminación (figura 10), ni concentraciones aleatorias, tales como grumos, y dado que el estaño representa la fase blanda de la aleación, una distribución heterogénea implicaría una concentración puntual de cargas durante la operación. Por otra parte, una ausencia localizada también es un factor que favorece el desprendimiento de la aleación durante la operación, manifestándose en adhesión con el eje rotativo, ya que el estaño también funge como el elemento lubricante de la aleación. 766

9 Figura 10. Se muestran ejemplos de la falta de dispersión homogénea de la fase blanda (Sn) en la aleación, se observa la apariencia de listones continuos de Sn en una clara falta de recristalización. Presencia de partículas duras. La presencia de silicio genera la formación de fases duras (Figura 11), sin embargo, debido al bajo contenido de este elemento en algunas aleaciones, esto resulta un inconveniente poco importante, no obstante, en aleaciones con alto contenido de Si (SAE 788) la formación y crecimiento de partículas duras (ya sea silicio o intermetálicos) no es deseable; sin embargo, su presencia es inherente, por lo que estas fases no deberán traducirse en intermetálicos de mayor tamaño que la fase de Sn que las contiene, ni en geometrías afiladas. Por definición, la presencia de intermetálicos grandes y/o alargados comprometen la ductilidad del material. En presencia del hierro, como impureza, se forman las fases FeAl 3, (Fe,Mn) 3 SiAl 12 y Fe 2 Si 2 Al 9, sin embargo, la formación de intermetálicos grandes se alivia durante el laminado, en donde éstos se fracturan y tienden a dispersarse. Así, el contenido de intermetálicos, en la condición adecuada, favorece la resistencia del material. 767

10 Figura 11. Se observa la cantidad de material intermetálico dentro de la aleación, en proporciones y formas inadecuadas. Las imágenes corresponden a cinta con la aleación SAE 788 (2.5% de Si y 12% de Sn). Inclusión de partículas. Otro aspecto importante que se debe evitar es la inclusión de partículas ajenas a la aleación (Figura 12), llámense intermetálicos, rebabas, o cenizas. En todos los casos el efecto en la aleación, durante el conformado o finalmente en la operación, resulta negativo, dependiendo de la naturaleza de la partícula. No se requiere de una elevada concentración de defectos para dar lugar a una falla. Este fenómeno es causado por prácticas de limpieza mal ejecutadas ya sea durante la colada o en la preparación de la aleación para el colaminado (la posición de la inclusión y su naturaleza determina su origen). Figura 12. Ejemplos relativos a inclusiones en la aleación tribológica. En se tiene una partícula, probablemente rebaba, rica en Fe, mientras que en se trata de material atrapado durante la formación de la cinta de la aleación. 768

11 Falta de adherencia. Este defecto se presenta con alguna regularidad teniendo sus causas más comunes en problemas en la preparación de las superficies previo al colaminado así como en la reducción que se aplica en éste (Figura 13). Figura 13. Ejemplos donde se evidencia la falta de adherencia de la aleación con el respaldo de acero. Fallas en el respaldo de acero. Un fenómeno poco usual en el conformado de los cojinetes es la fractura del respaldo de acero (figura 14). Esto se presenta al momento del troquelado de las piezas, manifestándose en los cambios de sección pronunciados. Generalmente esto se atribuye al endurecimiento por deformación que sufre el material durante las etapas de calibrado, sin embargo, es conveniente también evaluar el tamaño de grano con el que se recibe la cinta de acero, ya que valores elevados reducen sensiblemente la ductilidad del material. Por lo regular, el tamaño de grano típico para la cinta de acero para respaldo de cojinetes, no deberá ser mayor al ASTM

12 Figura 14. Disposición de la falla por fractura del respaldo de acero. En este caso el tamaño de grano que presenta el acero es ASTM Comentarios En el presente trabajo se caracterizan las fallas más comunes que se presentan durante la manufactura de los cojinetes de deslizamiento para motores de combustión interna. Si bien con base en la literatura es factible determinar las relaciones causa-efecto, el presente reporte permite identificar éstas de manera simple, para así proceder a atacar las causas que las producen. En general en la literatura especializada en cojinetes para uso automotriz se encuentra información sobre los problemas que éstos presentan en servicio y su correlación con sus causas, sin embargo en éstos casos no se identifican los problemas emanados de la manufactura 7. Conclusiones De todo lo presentado se tiene que las fallas en los cojinetes están vinculadas con el particular proceso de manufactura empleado en la producción y formación de la cinta de respaldo, teniéndose que solo en porcentajes mínimos la falla se puede deber a las condiciones de la cinta de acero de respaldo. En general se concluye en la conveniencia de primero verificar el tipo de material del cual se ha producido el material tribológico, para así precisar las causas probables de falla. 770

13 8. Referencias [1] Real Academia de la Lengua [2] Robert C. Juvinall, Kurt M. Marshek, Fundamentals of Machine Components Design, Wiley & Sons, Inc., USA, [3] Robert L. Norton, Diseño de máquinas, Prentice Hall, México, [4] Shigley, E. J., Bearing Design and lubrication, McGraw-Hill, 1 St Edition, Usa [5] Kingsbury, G.R., Friction and wear of sliding bearing materials, Metals Handbook, 10 th Edition, V. 18, ASM International, [6] Holmes, K.,Solid Material in engine tribology, C. M. Taylor, Elsevier, [7] Quiroz, Hector, Diseño de cojinetes de deslizamiento para uso automotriz, Tesis, México, [8] Taylor, Charles F. The internal Combustion Engine, Vol. 1, The MIT Press, U.S.A.,