8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y METALOGRÁFICA DE FALLAS DE COJINETE POR FALTA DE LUBRICACIÓN DEL CIGÜEÑAL DE MCIA *Torres Rincón Y., **Espinoza Bejarano H. *Instituto Universitario de Tecnología José Antonio Anzoátegui, Dpto. Tec. Mecánica **Universidad de Oriente, Centro de Termofluidodinámica y Mantenimiento, Dpto. Ing. Mecánica, Venezuela iraimaastrid@yahoo.es, hespinoza@cantv.net RESUMEN Se presenta la caracterización de falla de cojinetes radiales de cigüeñal de motor de combustión interna alternativo (MCIA) originada por giro invertido del motor. El cojinete tiene un recubrimiento exterior tipo SAE ALLOY 192, ISOPbSn10Cu2, con Pb (88%), Sn (10%) y Cu (2%), un 90% Al en la capa intermedia y una pequeña capa de 3,79% de Cu, utilizado como anclaje entre el acero y el Al. La metodología consistió en evaluar las huellas del desgaste y determinar los mecanismos de desgaste con la técnica de análisis Macroscópico y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) con microanálisis químico por dispersión en la energía de rayos X (EDX). Se observó que el recubrimiento externo antifricción presento desgarramiento. La deformación de la capa intermedia de Aluminio presentó desgarramiento y agrietamiento característico de la fatiga, dejando zonas del acero al desnudo. La base de Aluminio se fragilizó, presentándose una textura brillante y de despegue del material del soporte. Se observó que el recubrimiento externo sufre un proceso de delaminación sobre el recubrimiento de Aluminio o sobre el Acero. Igualmente, se concluye que la fragilidad del aluminio se produce porque el estaño se depositó en los límites de grano del Aluminio en forma de solución sólida motivada por la afinidad del Estaño con el Cobre. ÁREA TEMÁTICA: Mantenimiento, Desgaste

2 Introducción En los motores de combustión interna se presentan fallas en los cojinetes de deslizamientos, entre las mas comunes se encuentran desgaste por partículas abrasivas, falta de lubricación, defecto de diseño, mal montaje, mala alineación y mala operación. La identificación de fallas por parte de los ingenieros y personal técnico ha veces resulta difícil debido a que cada una presenta características particulares. Por lo tanto, la identificación de las características metalográficas, mecánicas, químicas, metalúrgicas asociadas a cada tipo de falla es de principal importancia. En el presente trabajo se presenta un estudio de caracterización de un tipo de falla poco común en cojinetes de deslizamiento de motores alternativos como es el giro contrario del cigüeñal. El objetivo General consiste en caracterizar la falla que se presenta en los recubrimientos de los cojinetes de deslizamiento radiales de motores alternativos industriales estacionarios, cuando sufren giro invertido del motor, para ello se plantearon como objetivos específicos: Análisis de espesores Caracterizar física y metalográficamente, con microscopia óptica, la falla de giro contrario del eje en cojinetes de deslizamiento radial. Caracterizar químicamente a través de microscopia óptica y de emisión de RX con microscopia de barrido, la falla del recubrimiento de un cojinete de deslizamiento, donde fallo por giro invertido del motor. METODOLOGÍA EMPLEADA Selección de muestras Para el estudio se tomaron muestras de uno de los cojinetes de biela un motor Caterpillar que presentó falla por mala alimentación de lubricante. Las muestras se clasificaron de la siguiente manera: Cojinete de deslizamiento A; Representa la parte inferior del cojinete de deslizamiento el cual presenta una superficie de falla severa en donde hay indicios de haber ocurrido un desgaste adhesivo. Cojinete de deslizamiento B; Representa la parte inferior del cojinete que fallo presumiblemente por desgaste adhesivo. Cojinete de deslizamiento C: Es la muestra patrón, obtenida de un cojinete nuevo, se usó para comparar su composición química y estado original (antes de la falla). Procedimiento Experimental Se tomaron medidas de los espesores de pared de las muestras A y C con un tornillo micrométrico (0-15mm), como se indica en la figura Fig. 1 Sitios donde se midieron espesores Para realizar el análisis de falla del recubrimiento de los cojinetes que sufrieron desgaste adhesivo por falta de lubricación; se procedió al análisis macrofractográfico, el cual consistió en realizar observaciones a escala real utilizando el ojo desnudo. Como parte del análisis de fallas que se realizó aquí, es importante señalar que fue necesario cortar la pieza y tomar una muestra para obtener más información. Se realizaron análisis microfractograficos con microscopía electrónica de barrido y/o con microscopio óptico. Se puede deducir que ambos niveles morfológicos se complementan entre si a la hora de proporcionar datos sobre la historia de la falla que ha quedado impresa en el metal. Por ello, no se puede conocer con certeza aceptable el mecanismo que produjo la falla, si no se utilizan conjuntamente ambas técnicas. Se tomo la decisión de seccionar la pieza para realizar análisis con Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), debido a que esta técnica hizo posible visualizar la superficie de falla a elevada resolución y por su gran profundidad de campo, permitiendo la visualización tridimensional. Su funcionamiento se basa en el barrido (explora la superficie punto por punto) de la muestra por un haz muy concentrado de electrones, los cuales pueden dispersarse de la muestra o provocar la aparición de electrones secundarios y los perdidos pueden ser recogidos y contados por un dispositivo de EDX (analizador de sonda de electrones) que determina cuantitativamente los elementos aleantes del recubrimiento, por acción de un voltaje adecuado dependiendo del peso atómico del elemento. Cada punto leído de la muestra corresponde a un píxel en un monitor de televisión,

3 cuya frecuencia (cuanto mayor sea el numero de electrones contados mayor es el brillo), se ve reflejada en la pantalla televisiva del equipo. El microscopio electrónico usado es Philips XL30, unidad combinada con EDX, Espectroscopía de energía dispersa de Rayos X, con filamento de emisión de campo LaB6, usado para el examen de las microestructuras del recubrimiento. ANÁLISIS DE RESULTADOS La investigación se centró en el estudio de las características que se observaron en los recubrimientos del cojinete de triple capa. Análisis de espesores Las medidas de los espesores del cojinete fallado (A) representado en la tabla 1 y 2 arrojaron como resultado que en las muestras con fallas el recubrimiento se desplazó y concentró hacia uno de los lados del cojinete siguiendo la dirección del giro contrario, lo que implica que los recubrimientos fluyeron hacia las zonas de menor concentración de esfuerzos. Tabla 2: Muestra (C) Patrón Tabla 1: Muestra (A) ESPESOR Medida en mm Variación con Respecto al patrón ,01 2 4,29-0,08 3 4,60 +0,23 ESPESOR Medida en mm ,37 3 4,37 Análisis químico de la muestra patrón (C) La composición química fue determinada por un analizador de RX, instalado en el Microscopio Electrónico de Barrido, que identifica de forma cuantitativa los elementos presentes en la aleación, de tipo SAE ALLOY 192, ISOPbSn10Cu2, con Pb( 88%), Sn( 10%) y Cu ( 2%) para la capa más externa, un 90% Al en la capa intermedia y una pequeña capa de 3,79% de Cu utilizado como anclaje entre el acero y el AL. Elemento Wt% At% AL K 88,22 91,04 Si K 6,96 6,90 Cu K 1,04 0,46 Zn K 3,78 1,61 Total 100,00 100,00 Tabla 3. Medición de Resultados de composición química de la muestra patrón, en % de peso atómico, con respecto a la capacidad del equipo EDX. Fig. 2 Resultados del análisis puntual en la zona interna de la muestra C, con análisis químico EDX Análisis con Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) de la muestra patrón En la figura 3 se muestra el detalle del corte trasversal de la muestra C donde se muestra en recubrimiento de aluminio (oscuro) y Babbitt (gris claro) en la zona interna. El espesor del recubrimiento de Babbitt del cojinete patrón (C), mide en promedio, 29cm (263,63µm). y el espesor del Al mide aproximadamente 76cm (690,90µm),como se muestra en la figura. Fig. 3 Corte transversal de la muestra patrón observada en el microscopio electrónico

4 Análisis con Macroscopia con Estereoscopio, de la muestra patrón De acuerdo con la bibliografía se cumple con lo indicado para recubrimientos de tipo antifricción de triple capa, en donde se encuentran discretas partículas duras en una matriz suave, donde la parte oscura representada por pequeñas listas o bandas delgadas presumiblemente el Plomo (figura 4) Fig. 4 Microestructura de Muestra C del cojinete Patrón tomada con Estereoscopio a 25X, Resultados de microscopia electrónica de muestra A En la figura 5 se observa la delaminación del plomo Pb, zona oscura y deformación poco plástica del aluminio Al (zona clara). En la figura 6 se observa la delaminación del recubrimiento externo de Babbitt y listas correspondientes al trabajo deformante en el sentido del eje del motor. En la figura 7 Se pude observar la delaminación del recubrimiento antifricción. En la figura 8 Se evidencia el deslizamiento de planos incluso unos con huellas del laminado o mecanizado, presenta deformación del recubrimiento antifricción Fig. 5. Cojinete A, que falló por falta de lubricación hidrodinámica Fig. 6. zona de menor deterioro de la muestra A a 30X. Foto 7, detalle de la zona de menor deterioro de muestra A, a 100X Foto 8, detalle de la zona de menor deterioro, donde se observa zona gris oscura indicando la presencia del plomo En la zona clara de las fotos 9 se encuentra gran cantidad de Fe (78,01%), representado por la zona de color gris claro, por lo que se evidencia que el acero quedo denudo después de la falla. Figura 10, zona de mayor deterioro,

5 donde se presenta delaminado el recubrimiento antifricción (Babbitt), sobre el acero, representado por la zona clara. a 30X Foto 9, zona de mayor deterioro, donde el cojinete se muestra abandonado por el recubrimiento antifricción. Foto 10, zona de mayor deterioro, donde se muestra la zona clara abandonada por el recubrimiento antifricción Resultados del análisis químico de muestra A zona clara de la figura 11 Se observa en la zona gris el alto contenido de Al (11,48%), y el gris claro corresponde al Fe (78,01%). Fig. 11, zona de mayor deterioro de la muestra A Tabla 4. Medición de Resultados de composición química de la muestra A. Elemento Wt% At% O K 8,00 20,74 Al K 11,48 17,65 Si K 2,50 3,69 Fe K 78,01 57,92 Total 100,00 100,00 Fig. 12 Resultados del análisis puntual en la zona interna de la muestra A, con análisis químico EDX Resultados del análisis químico de la zona mas deteriorada Se observa zona gris brillante que corresponde al Aluminio con un 92,13%, se muestra el comportamiento menos plástico del Al, con respecto al Babbitt delaminado, sin embargo se observa desgarramiento del recubrimiento, presumiblemente por efectos del estaño que fragiliza al Al.

6 Tabla 4. Resultados de composición química de la muestra A. Elemento Wt% At% Al K 92,13 96,02 Si K 0,87 0,87 Fe K 1,08 0,54 Cu K 1,58 0,70 Zn K 4,34 1,87 Total 100,00 100,00 Fig. 13 Zona muy deteriorada Se observa zona gris brillante que corresponde al Aluminio con un 92,13%, se muestra el comportamiento menos plástico del Al, con respecto al Babbitt delaminado, sin embargo se observa desgarramiento del recubrimiento, presumiblemente por efectos del estaño que fragiliza al Al. Conclusiones Marcas de delaminación en la dirección del movimiento mecánico ejercido por eje del motor, presentándose bandas del recubrimiento de Cu a lo largo del cojinete, también se presentan líneas oscuras propias del plomo. Se observó la acumulación del recubrimiento antifricción en uno de los extremos del cojinete de color oscuro. Características físicas, metalográficas y químicas de fallas ocasionadas por falta de lubricación. Se determinó que el recubrimiento externo (Babbitt) se extiende o delamina sobre el recubrimiento de aluminio o sobre el acero en los casos donde el recubrimiento de aluminio se desgarro y abandono al acero dejando a este ultimo desnudo. Se observan lengüetas en la superficie de la falla producto de la formación de planos cortados por una deformación plana ocurrida en el recubrimiento intermedio de Aluminio, el cual presentó textura de tipo brillante e irregular que hace presumir un comportamiento frágil frente al comportamiento dúctil del recubrimiento antifricción (Babbitt). La composición química fue determinada por un analizador de RX, instalado en el Microscopio Electrónico de Barrido, que identifica de forma cuantitativa los elementos presentes en la aleación, de tipo SAE ALLOY 192, ISOPbSn10Cu2, con Pb( 88%), Sn( 10%) y Cu ( 2%) para la capa más externa, un 90% Al en la capa intermedia y una pequeña capa de 3,79% de Cu utilizado como anclaje entre el acero y el AL. EL tipo de microestructura típica en todas las aleaciones Babbitt de base plomo es de tipo eutectoide Pb-Sn, como en nuestro caso debido a que contiene un sistema de granos primarios en solución sólida ricos en plomo y aleaciones con mas de un 19% Sn eutéctico tienden a formar estructuras laminares, de color oscuro y glóbulos ricos en plomo. Se observó un comportamiento fragilizado del Aluminio, donde se desgarro completamente y dejo el acero desnudo donde se presume que el estaño ( Sn) se deposito en los limites de grano del Al, en forma de solución sólida formada por la afinidad del Sn con el cobre( Cu). Bibliografía 1. ASM HANDBOOK Formerly Ninth Edition, Metals Handbook (1992); Volume11, Failure Analysis and Prevention. Disponible Biblioteca de la Esc. Ingeniería Metalúrgica UCV Caracas, cota a v ASM HANDBOOK, Formerly Ninth Edition, Metals Handbook (1992); Volume 18, Friction and Wear of Automotive Brakes. Disponible Biblioteca de la Esc. Ingeniería Metalúrgica UCV Caracas, cota( a v.18). 3. ASM HANDBOOK, Formerly Ninth Edition, Metals Handbook (1992); Volume 9, Metallographic and Microstructures. Disponible Biblioteca de la Esc. Ingeniería Metalúrgica UCV Caracas, cota ( a v.9.)

7 4. Universidad Autónoma De Madrid, Servicio Interdepartamental de Investigación Laboratorio de Microscopía de Barrido y Análisis por Energía Dispersiva de Rayos X. Personal del laboratorio. Disponible año2004: ( Consulta 2004 Marzo 10) 5. ASTM G Annual book of ASTM Standard test method for wear testing with a pin on disk apparatus, Mon May 23 EDT GOLDMAN R., SEGALL A. AND CONWAY J The dry sliding behavior of aluminum alloys against steel in sheave wheel applications. Journal of Tribology, 123: Santana, r. J. Prieto, a. C. Castro y m. H. Staia, Comportamiento Ante El Desgaste Deslizante De La Aleación De Aluminio 7075-T6, Revista de la Facultad de Ingeniería de la U.C.V., Vol. 20, N 2, pp , M. Suárez, M. Staia, E. Carrasquero, W. González, Estudio Sobre La Resistencia Al Desgaste De Recubrimientos Depositados Por Termorrociado Utilizando La Técnica Hvof, Revista de la Facultad de Ingeniería de la U.C.V:, Vol. 19, N 2, pp , Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla. Disponible año 2004: ( Consulta 2004 Marzo 12) 10. Universidad Nacional Del Noreste Argentina. Hipertextos del área de Biología, Principios de Microscopia. Disponible año : Consulta 2004 Marzo 12) 11. Oswaldo Fornado, Hugo A Palacios, Heraldo Biloni, Segregation substructures in dilute Al-Cu alloys directionally solidified, Materials Science and Engineering A 417( 2006) Ran Guang, Zhou Jing-En, Xi Shengqi, Li Pengliang, Formation of nanocristalline and amorphous phase of Al-Pb-Si-Sn-Cu powder during mechanical alloying. Materials Science and Engineering A 416(2006) Zhong Chen, Min He, Bavani Balakrisnan, Chan Choy Chum, Elasticity modulus, hardness and fracture toughness of Ni 3 Sn 4 intermetallic thin films, Materials Science and Engineering A 423( 2006) Jan Ukonsaari, Elisabet Kassfeldt, Tribological Studies On Oscillating Bronze Bearings Lubricated With Environmentally Adapted Lubricants ( EAL s), Journal of Tribology, January 2006, Vol. 128/181, Transactions of the ASME. 15. B.D.Beake, N. Ranganathan, An investigation of the nano indentation and nano/micro-tribological behaviour of monolayer, bilayer and trilayer coatings on cemented carbide. Materials Science and Engineering A 417(2006)