Story Transcript
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA MORFOLOGÍA GRAFÍTICA SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS DISCOS DE FRENO AUTOMOTRICES DE HIERRO GRIS HIPEREUTECTICOS.
T
E
S
I
S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
P
R
E
S
E
N
T
A:
PIÑA COVARRUBIAS MANUEL
ASESORA: DRA. GUTIÉRREZ PAREDES G. JULIANA
MÉXICO, D.F.
NOVIEMBRE 2008
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
AGRADECIMIENTOS
A mis padres que sin ellos no pudo haber sido posible este trabajo y por su apoyo a pesar de todos los problemas para realizarlo siempre creyeron en mí.
A mi hermana por el apoyo y ayuda prestada a la realización de este trabajo.
A la Dra. Juliana por todo el tiempo que me dedico y por todas las facilidades para realizar este trabajo, sin ella no lo habría podido realizar.
Al Dr. José Luis por ser mi asesor externo, el tiempo que me dedico y por todos los conocimientos e información prestada para realizar este trabajo.
A mis amigos Kike, Mike, Negro y Pepe que en las malas siempre estuvieron ahí para lo que necesitara y por su gran apoyo en la realización de este trabajo.
Al M. en C. Ayala por su apoyo en las pruebas de desgaste.
Al personal del CIITEC. y compañeros de la ESIQIE por las facilidades prestadas para la ejecución de la pruebas.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
ÍNDICE ÍNDICE
………………………………………………………………………... I ………………………………………………………. IV
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
…………………………………………………………... VII
NOMENCLATURA
…………………………………………………………... IX
OBJETIVO
…………………………………………………………………….. XI
JUSTIFICACIÓN RESUMEN
……………………………………………………………... XI
…………………………………………………………………….. XII
INTRODUCCIÓN
……………………………………………………… 1
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES 1.1 LOS DISCOS DE FRENO. ...................................................................4 1.1.1 La geometría del disco de freno. ……………….……………. 5 1.1.2 Esfuerzos a los que está sometido un disco de freno. ……….... 8 1.1.2.1 Propiedades mecánicas de los discos de freno. ……..10 1.1.3 Mantenimiento de los discos de freno. ………………………. 10 1.1.4 Problemas principales asociados a los discos de freno. ………12 1.1.4.1 Apriete incorrecto. …………………………………. 12 1.1.4.2 Montaje incorrecto de la pinza. ……………………..13 1.1.4.3 Excesiva holgura de los rodamientos del buje. …….. 13 1.1.4.4 Limpieza incorrecta del buje. ……………………….14 1.1.4.5 Temperatura excesiva. ……………………………... 14 1.1.4.6 Desgaste por encima del límite máximo. …………... 15 1.1.4.7 Discos agrietados. ………………………………….. 16 1.1.4.8 Desgaste excesivo de los discos debido al desgaste total de las pastillas. …............................................... 17 1.1.4.9 Disco dañado por material de fricción vitrificado. ...... 17 1.1.4.10 Surcos y rayas profundas. …………........................ 18 1.1.4.11 Depósitos de material de fricción en los discos. ….. 18 CAPITULO 2 ASPECTOS TEÓRICOS 2.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE MATERIALES.
……......................... 19
2.1.1 Consideraciones de diseño de los discos de freno. …………... 21 2.1.2 Diagrama de materiales. …………........................................... 22
I
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.2 METALURGIA DE LOS HIERROS.
……….…............................ 23
2.2.1 Diagrama de fases Fe-C. ………............................................... 23 2.2.2 Propiedades mecánicas y físicas de los hierros. …………....... 24 2.2.3 Morfología y distribución de las hojuelas de grafito en los hierros grises. ...…..................................................................... 27 2.2.4 Influencia de los elementos aleantes en los hierros grises …...29 2.2.4.1 Carbono en el hierro fundido. ………….................... 29 2.2.4.2 Silicio en el hierro fundido. …………....................... 30 2.2.4.3 Azufre en el hierro fundido. …………....................... 31 2.2.4.4 Manganeso en el hierro fundido. …………............... 31 2.2.4.5 Cobre en el hierro fundido. …………........................ 32 2.2.4.6 Fósforo en el hierro fundido. …………..................... 32 2.2.4.7 Cromo en el hierro fundido. …………....................... 32 2.2.4.8 Níquel en el hierro fundido. …………....................... 32 2.2.4.9 Molibdeno en el hierro fundido. …………................ 33 2.2.4.10 Estaño en el hierro fundido. …………..................... 33 2.2.4.11 Vanadio en el hierro fundido. ………….................. 33 2.2.4.12 Aluminio en el hierro fundido. …………................ 33 2.2.4.13 Otros elementos. …………...................................... 33
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.1 METODOLOGÍA.
…………................................................................ 34
3.1.1 Análisis químico. …………...................................................... 35 3.1.2 Análisis metalográfico. …………............................................. 36 3.1.3 Ensaye de dureza Brinell. ………............................................. 38 3.1.4 Ensaye de resistencia a la tensión. …………............................ 40 3.1.5 Ensaye de resistencia al desgaste. ………….............................42 CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.1 ANÁLISIS QUÍMICO. …………......................................................... 43 4.1.1. Carbono equivalente. ………………………...……………… 43 4.2 ANÁLISIS METALOGRÁFICO. …………....................................... 44 4.2.1 Comparación entre los análisis metalográficas de cada muestra.. 48 4.2.2 Influencia del carbono equivalente en relación con la microestructura obtenida. ……………………………………. 48 4.3 ENSAYE DE DUREZA BRINELL. ………….................................... 49 4.3.1 Influencia del carbono equivalente y la morfología sobre la dureza Brinell. ……………………………………………….. 50
II
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
4.4 ENSAYE DE RESISTENCIA A LA TENSIÓN. …………................ 51 4.4.1 Influencia del carbono equivalente y la morfología grafítica sobre la resistencia a la tensión. ………………………………54 4.5 ENSAYE DE RESISTENCIA AL DESGASTE. …………................ 55 4.5.1 Influencia de la morfología grafítica sobre la resistencia al desgaste. ……………………………………………………... 58 CONCLUSIONES
………….................................................................................. 59
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO
………….................................................. 61
…………………………………………………………………………... 62
ASTM A 247 Método de ensayo normalizado para la evaluación de la 62 microestructura del grafito en hierros grises ……………………………… ASTM E 10 Método de ensayo normalizado para dureza Brinell en materiales metálicos ……………………………………………………..... 64 ASTM G 65 Método de ensayo normalizado para determinar la abrasión usando una maquina con arena silica y un disco de caucho en seco ……… 73
III
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Caliper y disco de freno.
………………………….............................. 1
Figura 2 Ensaye de un disco de freno por esfuerzos térmicos. Figura 3 Mecanismo de rozamiento por partículas externas.
………………….. 2 …………………. 3
CAPÍTULO 1 Figura 1.1 Disco de freno.
…………………………………………………….. 4
Figura 1.2 Materiales que componen un disco de freno común (Resto de componentes excluyendo el 92% de hierro). …………………………5 Figura 1.3 Geometría del disco de freno sin ventilación. ………………….......5 Figura 1.4 Aletas disipadoras de calor. Figura 1.5 Canal disipador de calor.
………………...................................... 7 ………………………………………….. 7
Figura 1.6 Esfuerzos mecánicos a los que está sometido un disco de freno. Figura 1.7 Revisión del espesor.
……………………………………………… 11
Figura 1.8 Falla de disco por montaje incorrecto de la pinza. Figura 1.9 Falla por holgura en los rodamientos.
………………... 13
…………………………….. 13 ………………………… 14
Figura 1.10 Falla de disco por temperatura excesiva. Figura 1.11 Falla por desgaste excesivo del disco. Figura 1.12 Falla por agrietamiento.
…. 9
…………………………… 15
…………………..................................... 16 ……………………... 17
Figura 1.13 Falla por desgaste excesivo de las pastillas. Figura 1.14 Falla por cristalización de las pastillas.
………………………….. 17
Figura 1.15 Falla de disco por ralladuras y surcos.
…………………………… 18
Figura 1.16 Falla por depósitos de material en los discos.
…………………… 18
IV
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 Diagrama de flujo para el procedimiento de selección de materiales.
..19
Figura 2.2 Diagrama de la densidad de materiales en función de la resistencia.
. 22
………………...23
Figura 2.3 Diagrama de fases del sistema de equilibrio Fe-C. Figura 2.4 Distribución del grafito según ASTM A-247.
…………………….. 27
Figura 2.5 Tamaños de hojuelas de grafito según ASTM A-247.
……………..28
Figura 2.6 Relación de la estructura entre el contenido de carbono y silicio de un hierro fundido. ………………………………………………. 30 Figura 2.7 Relación de la resistencia tensil entre el contenido de carbono y silicio de un hierro. ………………………………………………... 31
CAPÍTULO 3 Figura 3.1 Caracterización de los discos de freno.
………….............................34
Figura 3.2 Espectrómetro por emisión o de chispa.
………............................... 36
Figura 3.3 Extracción de la probeta para el análisis metalográfico. Figura 3.4 Microscopio óptico. Figura 3.5 Ataque químico.
……….............................................................. 37 ……….................................................................... 37
Figura 3.6 Obtención de la distribución del grafito.
…………………………... 38
Figura 3.7 Extracción de la probeta para ensaye de dureza Brinell. Figura 3.8 Durómetro Brinell.
Figura 3.10 Huella ensaye de dureza Brinell.
…................................... 39
………………………………….. 39
Figura 3.11 Microscopio y lector de desplazamiento.
………………………... 39
Figura 3.12 Extracción de las probetas para el ensaye de tensión.
………....... 38
………................................................................ 39
Figura 3.9 Identaciones del ensaye de dureza Brinell.
Figura 3.13 Maquina de tensión.
………....... 36
…………… 40
……………………………………………… 41
V
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 3.14 Mordazas de la máquina de tensión.
……………………………... 41
Figura 3.15 Especificaciones ASTM para el ensaye de resistencia a la tensión. Figura 3.16 Máquina tribológica de abrasión seca.
... 41
……………………………42
CAPÍTULO 4 Figura 4.1 Zona neutral en la pista de frenaje.
………………………………... 44
Figura 4.2 Análisis metalográfico de la probeta 1A.
………..…………………45
Figura 4.3 Análisis metalográfico de la probeta 2A.
…..………………………46
Figura 4.4 Análisis metalográfico de la probeta 3A.
..…………………………47
Figura 4.5 Influencia del carbono equivalente sobre la microestructura de los discos de freno. …………………………………………………….. 48 Figura 4.6 Relación carbono equivalente y dureza Brinell. …………………... 50 Figura 4.7 Diagrama esfuerzo deformación de las probetas 1C.
……………... 51
Figura 4.8 Diagrama esfuerzo deformación de las probetas 2C.
……………... 52
Figura 4.9 Diagrama esfuerzo deformación de las probetas 3C.
…….………. 53
Figura 4.10 Relación carbono equivalente y resistencia a la tensión.
………… 54
Figura 4.11 Perdidas de masa en la probeta 1D.
…...……………...………….. 55
Figura 4.12 Perdidas de masa en la probeta 2D.
……………………...………. 56
Figura 4.13 Perdidas de masa en la probeta 3D.
……………………………… 57
Figura 4.14 Influencia de la microestructura en relación al desgaste por abrasión seca. …………………………………………………….. 58
VI
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
LISTA DE TABLAS
CAPÍTULO 1 Tabla 1.1 Propiedades mecánicas de un disco de freno. Tabla 1.2 Propiedades mecánicas de los discos de freno.
……………………… 4 …………………….. 10
CAPÍTULO 2 Tabla 2.1 Propiedades físicas de las fases del diagrama binario del sistema Fe-C.
24
Tabla 2.2 Grado de hierros grises automotrices para propósitos de diseño por SAE J431. …………………………………………………………... 25 Tabla 2.3 Rangos de dureza para diferentes hierros grises. …………………... 25 Tabla 2.4 Capacidad relativa a la absorción del vibrado (Damping) para algunos materiales. ………………………………………………………….. 26 Tabla 2.5 Tamaño de las hojuelas en mm según ASTM A 247. ……………… 28 Tabla 2.6 Longitud máxima de las hojuelas de grafito a 100x, de acuerdo a la ASTM A 247. ………………………………………………………. 29
CAPÍTULO 3 Tabla 3.1 Nomenclatura de las probetas extraídas de los discos de freno. ………... 35 CAPÍTULO 4 Tabla 4.1 Composición química obtenida de los discos de freno (% en peso).
... 43
Tabla 4.2 Resultados de la metalografía de la probeta 1A.
….…………..……. 45
Tabla 4.3 Resultados de la metalografía de la probeta 2A.
.…..………………. 46
Tabla 4.4 Resultados de la metalografía de la probeta 3A.
……...……………. 47
Tabla 4.5 Comparación de los análisis metalográficos en los tres discos. Tabla 4.6 Ensaye de dureza en la probeta 1B.
……. 48
………………………................ 49
VII
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Tabla 4.7 Ensaye de dureza en la probeta 2B.
..…………...…………………... 49
Tabla 4.8 Ensaye de dureza en la probeta 3B.
..……………...………………... 49
Tabla 4.9 Comparación de metalografías y dureza Brinell de los tres discos
...
50
Tabla 4.10 Pérdidas de masa en la probeta 1D.
………………………..……… 55
Tabla 4.11 Pérdidas de masa en la probeta 2D.
………………………..……… 56
Tabla 4.12 Pérdidas de masa en la probeta 3D.
…..…………………..……….. 57
VIII
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
NOMENCLATURA
Newton.
Milímetros cuadrados.
Siglas en ingles Hardness Brinell (Dureza Brinell).
Watts.
MegaPascales.
Kilometros.
Hora.
Fierro.
Carbono.
Micrometro.
Densidad.
Mega.
Austenita.
Ferrita.
Grafito.
Å
Angstrom.
. . .
Celda cubica centrada en las caras.
. .
Celda cúbica centrada en el cuerpo.
. . .
Joule.
American Society for Testing Materials
Society Automotive Engineer
American Foundry Society Libra por pulgada. Aumentos.
Celda hexagonal compacta.
Mililitros.
IX
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Kilogramos fuerza.
Carbono equivalente.
Carbono.
Azufre.
Silicio.
Manganeso.
Cobre.
Fósforo.
Estaño.
Diámetro eje x.
Diámetro eje y.
Diámetro promedio.
Temperatura.
P
Carga.
%
Porcentaje de humedad.
Resistencia a la tensión.
Masa total perdida.
1
Probeta designada para el análisis metalográfico del disco No.1.
1
Probeta designada para la prueba de dureza Brinell del disco No.1.
1
Probetas designadas para la prueba de resistencia a la tensión del disco No.1.
1
Probeta designada para la prueba de resistencia al desgaste del disco No.1.
2
Probeta designada para el análisis metalográfico del disco No.2.
2
Probeta designada para la prueba de dureza Brinell del disco No.2.
2
Probetas designadas para la prueba de resistencia a la tensión del disco No.2.
2
Probeta designada para la prueba de resistencia al desgaste del disco No.2.
3
Probeta designada para el análisis metalográfico del disco No.3.
3
Probeta designada para la prueba de dureza Brinell del disco No.3.
3
Probetas designadas para la prueba de resistencia a la tensión del disco No.3.
3
Probeta designada para la prueba de resistencia al desgaste del disco No.3.
X
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
OBJETIVO
Estudiar el efecto que tiene la morfología, distribución, cantidad y composición química de las hojuelas de grafito de los hierros grises hipereutécticos, sobre el desempeño de los discos de freno automotrices, así como caracterizar las propiedades mecánicas como tensión y dureza, resistencia al desgaste y composición química.
JUSTIFICACIÓN
Los discos frenos de los vehículos han evolucionado simultáneamente a lo largo de dos directrices distintas: por un lado, la tecnología que se ha ido haciendo cada vez más compleja debido a las modernas técnicas de cálculo y mecanizado; por el otro, el principio y la mecánica, en el sentido físico del término se han simplificado. El mejor ejemplo lo ofrece la comparación entre el freno de tambor y el freno de disco. Se ha manifestado comúnmente que los discos de freno fabricados de hierro gris sufren deformaciones debido a los esfuerzos mecánicos y térmicos a los que estos están sometidos en un automóvil convencional, esto se relaciona directamente con la composición química y la morfología de las hojuelas de grafito. Debido a esto, que surge la necesidad de diseñar un material que sea más resistente a los esfuerzos mecánicos y térmicos sin llegar a un costo elevado como en el caso de los discos de materiales cerámicos. Esto se alcanza con la adición de elementos los cuales promuevan la formación de las hojuelas grafíticas en el momento de la solidificación del material.
XI
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
RESUMEN En el presente trabajo se estudiaron los diferentes tipos de morfología grafítica obtenida en distintas aleaciones aplicadas a los discos de freno automotrices. Esto es debido a que los discos de freno fabricados de hierro gris sufren deformaciones generados por esfuerzos mecánicos y térmicos a los que estos están sometidos en un automóvil convencional, esto se relaciona directamente con la composición química y la morfología de las hojuelas de grafito, es por eso que surge la necesidad de diseñar un material que sea más resistente a los esfuerzos mecánicos y térmicos sin llegar a un costo elevado. Se diseñaron tres diferentes aleaciones de hierro gris para obtener tres discos de freno los cuales fueron sometidos a diversos ensayes con la finalidad de evaluar su desempeño mecánico y la calidad, según las especificaciones aplicadas a la fabricación de los discos de freno. En los discos 1 y 2 se determino que, cuando aumenta el carbono equivalente (CE) los valores mayores a 4.37 %, la dureza y resistencia a la tensión disminuyen, esto se debe a que al aumentar los contenidos de carbono y silicio se favorece la nucleación de grafito y como consecuencia aumenta el número de celdas eutécticas. Simultáneamente aumenta la temperatura de solidificación del eutéctico y disminuye la velocidad de crecimiento de los granos eutécticos, por lo tanto aumenta la longitud de las laminillas de grafito las cuales disminuyen las propiedades mecánicas de los hierros. De los ensayes de dureza se determino que la dureza es menor en la probeta 1B debido a su alto contenido de carbono equivalente, el cual promovió la fase ferrítica en un 10 % sobre la matriz, sin embargo para las probetas 2B y 3B las durezas favorecieron a estas aleaciones debido a que solo se encontró 1 % y 0 % de ferrita respectivamente Durante el ensaye de resistencia a la tensión, se determino de manera general que el carbono equivalente contribuye a la disminución de la resistencia a la tensión. En el ensayo de la resistencia al desgaste se determino a partir de los resultados de las probetas 2D y 3D que la morfología de las hojuelas de grafito (2 a 4 según ASTM A 247) son favorables para la resistencia al desgaste debido a que estas actúan como un lubricante propio del material y disminuyen los esfuerzos de rozamiento.
XII
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
INTRODUCCIÓN
Figura 1 Caliper y disco de freno.
A pesar de que actualmente existen vehículos con frenos de disco en las cuatro ruedas, generalmente se ubican en los frenos delanteros. Su función es detener las ruedas presionando el disco de freno con las pastillas de freno (Figura 1). Al accionar el pedal de freno, el cilindro maestro desplaza el líquido y este a su vez, empuja el pistón de la mordaza desplazando la pastilla hacia el disco de freno, hasta detener las ruedas. Generalmente en los automóviles, el 80% de la potencia que desarrollan los frenos se concentra en las ruedas delanteras.
El disco de freno unido al eje, es el elemento que soporta la presión de las pastillas durante el frenado, soporta permanentemente altas temperaturas y esfuerzos mecánicos extremos. Es muy importante no utilizar discos de freno en mal estado o con espesor por debajo del estipulado por el fabricante, ya que ocasiona serios problemas en el frenado y desgaste prematuro de las pastillas. Las dos funciones principales de un disco de freno son la transmisión de una notable fuerza mecánica y la dispersión del calor producido, lo que supone un funcionamiento a media o alta temperatura. Desde el punto de vista teórico, numerosos materiales pueden desempeñar estas funciones. Para aplicaciones especiales de frenado, se utilizan materiales compuestos con matriz de carbono estos discos son utilizados en los automóviles de competición y en los aviones. Sus prestaciones especiales y su costo no las hacen adecuadas a los vehículos comunes. Las aleaciones de aluminio que contienen carburos de silicio también pueden tomarse en consideración, ya que garantizan una notable reducción de peso. Sin embargo, su incapacidad de soportar altas temperaturas requiere un sobre dimensionamiento de los frenos que en parte desperdicia esta ventaja. El hierro gris adquiere mayor ventaja sobre estos materiales por las propiedades tecnológicas de fabricación, bajo costo excelentes propiedades mecánicas y térmicas. El hierro puede caracterizarse por un gran número de parámetros químicos y físicos, pero en la aplicación de autopartes para la industria automotriz se relaciona con su uso. Todos
1
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
los hierros grises contienen grafito disperso en forma de hojuelas en una matriz de hierrosilicio. La cantidad de grafito presente, el tamaño de las hojuelas y su distribución en la matriz influyen directamente en las propiedades físicas, mecánicas y térmicas del hierro. Las rupturas de los discos de frenos están vinculadas a la producción de calor y por el mecanismo de la fricción entre los materiales que están en contacto (disco y pastilla). Puede tratarse de la ruptura de cristales a través del fenómeno de la abrasión: un gránulo muy duro, deslizándose, rompe el material que se le opone. Otro mecanismo es el de la adhesión-ruptura: la presión y la temperatura provocan la difusión de un material en el otro, e incluso la fusión de uno de los materiales. Ya que los dos elementos se desplazan en sentido inverso rompiéndose y liberando calor. Estos dos mecanismos intervienen durante el roce de una pastilla contra un disco. El material que se funde básicamente es el hierro gris del disco. De hecho, las temperaturas en los primeros micrones bajo la superficie, pueden llegar a superar la temperatura de fusión del hierro, y a una profundidad de dos milímetros bajo la superficie, es normal llegar a temperaturas de hasta 1200 °C. El mecanismo por el cual se agrieta el disco por esfuerzos térmicos severos se ilustra en la Figura 2.
Figura 2 Ensaye de un disco de freno por esfuerzos térmicos.
Los mecanismos de desgaste desempeñan un papel importante en el frenado y en los costos de mantenimiento. También en el caso del desgaste entran en juego la adhesión y la abrasión, conduciendo ambas al desprendimiento de micro partículas de materiales. Estas partículas pueden proyectarse desde la interfaz de roce, en cuyo caso el desgaste se propaga de forma regular y lineal. Cuando las partículas permanecen en la interfaz, se habla de tercer cuerpo y el mecanismo del roce y del desgaste queda modificado. Estos polvos
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
pueden ser más abrasivos o más lubricantes que los materiales originales y modificar así el coeficiente de roce global y las propiedades del freno (Figura 3).
Figura 3 Mecanismo de rozamiento por partículas externas.
3
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES 1.1 LOS DISCOS DE FRENO.
Figura 1.1 Disco de Freno.
Los discos de freno(1) son la superficie contra la cual interactúan las pastillas para frenar el vehículo, debido a que el disco gira solidario con las ruedas. Ese rozamiento entre el disco y la pastilla produce la transformación de energía cinética en energía calorífica, provocando una reducción de la velocidad. Los discos de freno (Figura 1.1) no solo deben producir la transformación de energía sino que además deben de conseguir que el calor producido sea disipado a la atmósfera lo más rápidamente posible, ya que, las temperaturas a las que operaría el sistema serían muy elevadas llegando incluso al colapso del sistema.
El material seleccionado para fabricar los discos de freno es la fundición de hierro gris de grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las prestaciones durante el periodo de vida de los discos. Existen también, discos de materiales compuestos en matriz de carbono, usados en la alta competición y en los frenos de los aviones, aunque debido al alto coste que tienen son inviables para los vehículos comunes. En la actualidad se están desarrollando discos de freno en aluminio con una base de carburo de silicio, ya que su menor peso los hace muy atractivos, pero la mala disipación de calor que tienen los hacen poco factibles de emplear, ya que necesitan un sobredimensionamiento que hace que pierdan las ventajas de reducción en peso. Las características mecánicas de la fundición de los discos la podemos ver la Tabla 1.1. Tabla 1.1 Propiedades mecánicas de un disco de freno.
Propiedades mecánicas
Valores
Resistencia a la Tracción
240 N/mm²
Dureza
170 ‐ 250 HB
4
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
La composición química del material de los discos es una fundición gris de grafito laminar, que contiene entre un 92% y un 93% de hierro. Además del hierro otros componentes básicos tales como el silicio, manganeso entre otros garantizan la calidad del disco. En la figura 1.2 podemos ver el porcentaje de los diferentes elementos aleantes con el hierro.
Figura 1.2 Materiales de un disco de freno (Resto de componentes excluyendo el 92% de hierro).
1.1.1 La geometría del disco de freno. La geometría de los discos de frenos (Figura 1.3) siempre es la misma, es decir, una superficie circular perfectamente plana. A continuación, se describen las soluciones que se han aportado para la mejora en la disipación del calor que almacena el disco. Para lo cual es necesaria la descripcion de las diferentes partes de las que está compuesto un disco
Figura 1.3 Geometría del Disco de Freno.
1.- La pista: es la superficie en la cual tiene lugar la acción de fricción entre las pastillas y el disco. Está dimensionada de forma que su potencia de disipación se acerque al valor de 250 W/c , pero dicho valor puede variar dependiendo de la geometría del disco, ya que si este es ventilado el valor de la potencia de disipación puede alcanzar un valor de 750 W/c . Por encima de dichos valores, pueden aparecer daños en el disco, tales como deformaciones geométricas, grietas, depósitos de material de fricción u otros que dañarían el disco de forma irreversible.
5
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.- Fijación: La fijación de los discos está situada en la parte central del mismo. Existe un taladro donde se aloja el buje, así como por la parte trasera un chaflán que debe de apoyarse perfectamente en la mangueta para que el ajuste del disco sea perfecto. Alrededor del taladro donde se aloja el buje, la fijación tiene un cierto número de barrenos que permiten el paso de los pernos de anclaje de la rueda. En la mayoría de los discos la fijación del disco se garantiza por unos taladros de menor diámetro que fijan el disco. 3.- La campana: La campana es el cilindro que une la banda, con el plano de fijación. En algunos casos en el interior de la campana sé está aprovechando para montar un pequeño sistema de freno de tambor de accionamiento mecánico, con la finalidad de que sirva de freno de estacionamiento. 4.- El filtro térmico: El filtro térmico es un canal mecanizado, que separa la pista de la fijación, para reducir el calor que pasa de la pista hacía la campana. Con este tipo de canales se evita el calentamiento excesivo de la llanta y por consiguiente del neumático que ya sufre los efectos de la temperatura por su propio uso. El principio de funcionamiento de los frenos como ya se ha mencionado anteriormente se basa en que la energía cinética que lleva el vehículo debe de disiparse en forma de calor. Este calor se acumula principalmente en los discos. Pero lógicamente los discos no pueden almacenarlo infinitamente, sino que deben de liberar disipado a la atmósfera de una forma eficiente. La forma más sencilla es realizar una circulación de aire que, en contacto con el disco, se caliente y mantenga la temperatura del disco en valores razonables a efectos de su integridad mecánica. Los discos deben de desempeñar dos funciones principales: mover el aire a su alrededor como lo haría un ventilador, y transmitir su energía a la atmósfera como lo hace un radiador. Para cumplir la primera de sus funciones, la propia geometría del disco hace que sea posible la circulación del aire desde la campana hacía el exterior de la pista. Además la velocidad de dicho aire es mayor cuanto mayor sea la temperatura que va adquiriendo. Este proceso se da en los discos macizos, que cumple con su función cuando la energía que ha de disiparse es reducida o media. Cuando la energía térmica disipada aumenta, las superficies de un disco macizo ya no son suficientes. Si se intentase aumentar su tamaño se tendrá la limitación impuesta por el tamaño de la rueda por lo cual la solución adoptada por
6
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
unanimidad es el disco ventilado que permite una mayor disipación térmica en el mismo espacio.
Figura 1.4 Aletas disipadoras de calor.
El disco ventilado es la composición de dos pistas separadas por aletas en su interior. Estas aletas (Figura 1.4) garantizan la cohesión del disco permitiendo el paso de aire por su interior. Debido a estas aletas, el enfriamiento del disco no solo se produce en la superficie exterior del disco sino que además se produce su enfriamiento por el interior. Este intercambio de energía depende en gran medida de la forma y la orientación de las aletas, ya que en algunos casos las aletas se oponen al movimiento del aire en su interior con lo cual su utilidad es negativa. Por ello debe existir un compromiso entre la eficacia y la orientación forma de las mismas. Generalmente son radiales y por lo tanto la colocación de los discos en la rueda izquierda o derecha, no afecta a las propiedades autoventilantes. Sin embargo existe alguna aplicación en el mercado en la cual las aletas están orientadas de tal forma que obligan a que esos discos sean montados en una rueda o en la otra, ya que no sería eficaz su ventilación si se intercambiara su ubicación.
Figura 1.5 Canal Disipador de calor.
Una de las mejoras más significativas encaminada a la reducción de la temperatura que alcanza la campana del disco, se consigue mediante una ranura en forma de canal en la zona situada entre la campana y la banda frenante del disco (Figura 1.5), lo que antes se ha
7
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
denominado filtro térmico. Si se redice la sección de paso de calor, el gradiente térmico aumenta, es decir, la diferencia de temperatura entre un lado del canal y el otro se hace mayor, lo cual hace que la temperatura de la campana sea menor. Esto es muy importante ya que el calor que se transfiere a la llanta y por consiguiente a la goma del neumático es menor, consiguiendo así que no sufra en exceso la carcasa del neumático. También se consigue una reducción en la deformación del disco al reducirse la temperatura de la campana y sus consiguientes tensiones térmicas. En los discos ventilados la fabricación de un espesor diferente entre las bandas reduce la deformación del mismo. Esto se consigue aumentando el espesor de la pista que va unida a la campana exclusivamente, ya que de aumentar el espesor de las dos pistas, el grueso total del disco aumentaría excesivamente con la necesaria reducción del grueso del material de fricción. Existen discos fabricados en dos piezas independientes, nacidos para ser empleados en competición. Estos discos constan de una corona de hierro fundido a modo de pistas frenantes y un buje de aleación de aluminio. Las dos partes son solidarias gracias a unos casquillos de fijación. Durante la frenada el disco presenta dos partes diferenciadas: las bandas frenantes (parte caliente) y la campana (parte fría). Este tipo de disco soluciona los problemas de deformación, ya que las bandas frenantes pueden dilatarse sin provocar tensiones que creen grietas. Este tipo de discos permite la deformación radial de las pistas evitando las deformaciones permanentes y las tensiones. Además supone una reducción importante del peso del conjunto. Sin embargo, dado su elevado coste, normalmente solo se utiliza este tipo de disco en competición pero son la solución más extendida en las motocicletas.
1.1.2 Esfuerzos a los que está sometido un disco de freno. Cuando el vehículo está en marcha, independientemente de las fases de frenado, el disco está sometido a bajo esfuerzo mecánico. Bajo el efecto centrífugo (Figura 1.6) debido a la rotación del disco se crea un esfuerzo de tracción. Al frenar, el disco se ve solicitado por dos nuevas fuerzas, una fuerza de compresión, que deriva del apoyo de las pastillas perpendicularmente a la superficie del disco; esta fuerza crea a cargo del disco un esfuerzo de compresión del orden de algunos N/mm2, un valor muy reducido para el disco, aunque sea en caliente. La fuerza frenante debida al roce de la pastilla contra la superficie del disco
8
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
se traduce en el material como un esfuerzo de tracción del orden de 10-20 MPa, que es inferior a la resistencia a la tracción del material, que equivale aproximadamente a 200 MPa. Después de largos periodos de funcionamiento el disco puede sufrir microfisuraciones las cuales propician la ruptura del disco, este tipo de esfuerzo repetido es llamado fatiga. También el disco puede sufrir flexiones que pueden producirse al frenar en las curvas y el esfuerzo dinámico que presenta cuando vibra el disco.
Fig. 1.6 Esfuerzos mecánicos a los que está sometido un disco de freno.
9
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.1.2.1 Propiedades mecánicas de los discos de freno. Tabla 1.2 Propiedades mecánicas de los discos de freno.
Propiedad Peso del vehículo a plena carga Distribución delantera/trasera
Valor 1560
.
56%
Radio bajo carga
27.5
Diámetro del Disco
238
Superficie de la Pastilla Velocidad del vehículo Aceleración al frenar
35 150
.
0.6
Presión dentro del disco Presión debido a la fuerza centrifuga Fuerza de compresión por pastilla Esfuerzo de Compresión Fuerza frenante en el centro del empuje Esfuerzo de tracción debida a la fricción
0.73
7193 2205
7182 122
1.1.3 Mantenimiento de los discos de freno. Una gran mayoría de los conductores, piensan que los discos de freno no se deben de sustituir jamás, ya que son piezas metálicas lo suficientemente duras como para no requerir su sustitución o de revisión. Lógicamente esto es errado y se establece en este trabajo el porqué el mantenimiento de todo el sistema de frenos de un vehículo es fundamental. En primer lugar hay que tener presente que los discos de freno no son infinitamente rígidos sino que como cualquier pieza de un vehículo se deforma. Para evitar lo máximo posible esta deformación, hay que tener en cuenta muchos parámetros, ya que incluso el valor de apriete de las ruedas es uno de los factores que afectan a la deformación del disco. Es necesario que en el montaje de los neumáticos se lleve a cabo bajo el par de apriete que recomienda el fabricante. Usando una llave dinamométrica tarada a 10 kg· m si la llanta es de chapa y a unos 11 kg· m si la llanta es de aleación. Procediendo al apriete de forma equidistante. Las llaves de apriete neumáticas pueden deformar los discos, dando
10
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
lugar a problemas de vibraciones, ruidos, e incluso roturas del propio rin, principalmente si este es aleado. Para un buen mantenimiento de los discos de freno conviene revisarlos cada 20000 km. como norma general. Este control no debe de ser solo visual, ya que existe una cota mínima tras la cual el disco debe de ser sustituido. Esta medida llamada MÍNIMUM THICKNESS (mínimo espesor) viene grabada en los cantos de los discos. Más adelante se detalla que sucede cuando este espesor no es respetado. Los controles que se deben realizar, no Figura 1.7 Revisión de Espesor. son solo la medida del espesor con ayuda de un micrómetro de exteriores, sino que además debe de comprobar el alabeo del disco con ayuda de una base magnética y un reloj comparador unido a ella. El proceso de verificación del alabeo se lleva a cabo, pegando la base magnética en la mangueta del vehículo y la punta del reloj comparador debe estar en contacto con la pista frenante del disco. En esta posición se debe poner a cero el reloj. Una vez colocado todo el sistema se debe de hacer girar el disco observando la desviación que el reloj comparador va marcando. Si esta variación es mayor a 0.125 mm debe de ser sustituido el disco por estar alabeado. Esto se hará patente en el freno ya que al frenar nos producirá vibraciones en el volante, incluso si el alabeo es muy grave se producirán pulsaciones en el pedal. La planicidad del disco es una característica crítica para una frenada progresiva y libre de vibraciones no solo en frío sino en caliente. Si esta planicidad no se encuentra dentro de los valores requeridos, pueden aparecer puntos calientes “judder” que producen vibraciones muy desagradables al frenar. Como se detalla más adelante el “judder” puede aparecer como vibraciones acústicas, vibraciones estructurales en la dirección del vehículo o como pulsaciones en el pedal del freno. Resolver este tipo de problemas es complejo y desde luego, pasa por la instalación de discos de freno de primerísima calidad y pastillas de freno con la compresibilidad y el coeficiente de fricción adecuado. En algunos casos, también podemos observar óxido en las pistas frenantes de los discos, formado al estar el vehículo en un entorno muy húmedo. Esto no implica un problema serio ya que en unas cuantas frenadas ese óxido debe ser eliminado por el contacto entre las pastillas y el disco. Si una vez realizadas estas frenadas existe alguna zona donde ese óxido no se haya eliminado, significa que puede existir algún problema en la pinza, debido a que la pastilla no hace un perfecto contacto en el disco.
11
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Si se observan rayas circulares profundas o grietas radiales numerosas se deberán de cambiar los discos obligatoriamente. Los discos han de sustituirse por parejas y a su vez se deben de cambiar las pastillas aunque no se haya agotado la vida útil de estas.
1.1.4 Problemas principales asociados a los discos de freno. El estudio de los diferentes problemas de los discos demuestra que la mayoría de los mismos podrían evitarse si se prestara más atención al montaje. Esto no solo concierne a ciertos controles cuantificables mediante mediciones, sino que además debemos realizar un atento examen visual de los componentes. La solución a todos los problemas, que en este apartado se describen, es la sustitución de ambos discos así como las pastillas.
1.1.4.1 Apriete incorrecto. Descripción del problema: El apriete excesivo de los discos crea grietas en la superficie de la campana que apoya sobre el buje. Estas grietas puede no ser visibles, o ser simplemente un principio de deformación que con el paso del tiempo y los continuos cambios de temperatura, producen, en casos extremos, que se acabe desprendiendo la campana de la banda frenante. Este problema también se produce por no respetar ni el orden de apriete ni las presiones de apriete, para los neumáticos. Esta deformación es perceptible desde el principio del montaje y se detecta por vibraciones tanto en el pedal como en el volante con independencia de la velocidad, de la presión o de la temperatura del sistema de frenaje, con lo que resulta fácil atribuir este problema a un apriete incorrecto del disco o al montaje de un disco de freno defectuoso o mal mecanizado.
12
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.1.4.2 Montaje incorrecto de la pinza. Descripción del problema: Si la pinza no ha sido colocada correctamente en su posición se aprecia un desgaste irregular de las pastillas en forma cónica y antisimétrica. En la figura 1.8 se puede apreciar el defecto desde el principio del montaje ya que se generan ruidos intensos al frenar, así como el golpeo de las pastillas y una fuerte reducción de la eficacia del Figura 1.8 Falla de disco por montaje sistema de freno. incorrecto de la pinza.
1.1.4.3 Excesiva holgura de los rodamientos del buje. Descripción del problema: Una excesiva holgura de los rodamientos del buje provoca un desgaste irregular de las bandas frenante de los discos. En la figura 1.9 se observa un recalentamiento del disco localizado en la zona donde rozan las pastillas al girar el disco, debido a la holgura en los rodamientos del buje. Además se aprecia un desgaste excesivo en la zona en la que el contacto es permanente. Figura 1.9 Falla por holgura en los Se manifiestan vibraciones frecuentes desde el rodamientos.
principio hasta que cada vez sean más graves.
13
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.1.4.4 Limpieza incorrecta del buje. Descripción del problema: Durante el montaje de un disco nuevo no se limpia correctamente la superficie de apoyo del disco en el buje, se puede producir un asentamiento inestable del disco en el buje. Esto provoca que al girar el disco se produzca una oscilación del mismo y en cada giro, roce contra las pastillas provocando no solo el desgaste excesivo de las pastillas sino el deterioro del disco. Esto provoca vibraciones que irán creciendo con el paso del tiempo. Además aparecerá un desgaste irregular debido a las vibraciones que se provocan en el disco. Para prevenir este efecto es fundamental limpiar perfectamente la superficie del buje. Con la finalidad de evitar este problema, se recomienda medir con el comparador para comprobar que las desviaciones máximas están dentro de las permitidas. 1.1.4.5 Temperatura excesiva. Descripción del problema: Los discos presentan vivos colores en la gama de los azules, que principalmente son visibles en la zona del filtro térmico donde se unen las pistas frenantes con la campana. Esta zona cambia de color al sufrir un calentamiento excesivo que transforma la estructura del material. El aumento de la temperatura hace variar la estructura del material de los discos que incluso puede formar zonas de cementita (Fe3C), cuya estructura es indeseable para el sistema de frenaje. Ya que la cementita es una estructura del hierro muy dura que provoca la aparición de vibraciones en el sistema de frenaje y un comportamiento del material de fricción diferente cuando entra en contacto con esa parte del disco. En comparación con el resto de la superficie del disco, en la zona donde se ha formado cementita, el coeficiente de fricción (µ) es diferente, lo que como resultado obtiene la diferencia de comportamiento del material de fricción afectado por la transformación de la estructura. Además en esta zona se acumulan tensiones térmicas que favorecen la aparición y propagación de grietas.
14
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Para que este problema no aparezca es necesario el rodar las pastillas y los discos nuevos durante unos 250 o 300 km. Periodo durante el cual las frenadas deben de ser suaves y progresivas. Y luego durante la vida de los discos evitar el calentamiento excesivo de los mismos. Dicho calentamiento excesivo, suele tener los orígenes claramente diferenciados: una conducción Figura 1.10 Falla de disco por en condiciones límite, o la costumbre de algunos temperatura excesiva. conductores de mantener el píe sobre el pedal, ejerciendo poca presión, en descensos prolongados para retener el vehículo. Este problema (Figura 1.10) provoca vibraciones en los discos debido a las transformaciones estructurales del disco sufridas por los excesos de temperatura. Además estas vibraciones se harán cada vez más pronunciadas con el paso de los kilómetros. 1.1.4.6 Desgaste por encima del límite máximo. Descripción del problema Cuando el disco ha sido usado más allá de su vida útil, es decir, cuando se han sobrepasado el espesor mínimo expresado por el fabricante, aparece un escalón en las pistas del disco que provoca una reducción de la masa del disco. Esto produce la mala disipación del calor debida a la pérdida de masa comentada anteriormente. Lo que llevará a un calentamiento excesivo, provocando la aparición de grietas, así como manchas de color más oscuro debido al sobrecalentamiento de dichas zonas. En la figura 1.11 se aprecia este fenómeno. Es importante recordar que la pérdida de masa del disco provoca que disminuya la conductividad térmica del mismo con lo cual se produce un aumento de la temperatura mucho mayor y más rápida. Debido a ese exceso de temperatura los discos se deforman con la consiguiente aparición de ruido y vibraciones. Es recomendable la verificación periódica del espesor del disco, así como sustituir los discos cada dos juegos de pastillas. Es imprescindible siempre que se sustituyan los discos, sustituir las pastillas. Figura 1.11 Falla por desgaste excesivo del disco.
15
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.1.4.7 Discos agrietados. Descripción del problema: Los discos han sido sometidos a temperaturas de funcionamiento muy altas. En la parte exterior del disco se ven claros síntomas de sobrecalentamiento. Las altas temperaturas favorecen la aparición de las grietas, las cuales se forman al existir pequeños poros en el material, los cuales debido a las altas temperaturas, crecerán hasta forman la grieta. Las grietas hacen Figura 1.12 Falla por agrietamiento.
que el disco sea frágil, lo cual en definitiva, favorece el crecimiento de la grieta hasta romper el disco. Las grietas se producen debido a las deformaciones a las que son sometidos los discos y los impactos que las pastillas producen sobre los mismos. Se provocan vibraciones y existe la posibilidad de que una de las grietas crezca tanto hasta que rompa el disco, con el consiguiente riesgo que ello conlleva. Antes de llegar a la rotura del disco, las características fricciónales del conjunto pastilladisco se ven fuertemente alteradas como consecuencias de la ruptura de la tercera capa. Con resultados imprevisibles sobre el frenado del vehículo y en cualquier caso mostrando un desgaste prematuro de las pastillas de freno. En la figura 1.12 se aprecia el desgaste prematuro de las pastillas ha hecho muescas en el disco. Se aprecia claramente el surco que el soporte de la pastilla ha dejado sobre el borde exterior del disco. Este tipo de problema se reconoce por las fuertes vibraciones que vamos a tener sobre el pedal y dirección, así como el ruido que provoca en cualquier situación de marcha.
16
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.1.4.8 Desgaste excesivo de los discos debido al desgaste total de las pastillas. Descripción del problema: Si las pastillas se han desgastado tanto que ha llegado haber un contacto metal – metal entre el disco y el soporte de la pastilla, se aprecia un desgaste muy abrasivo que deja unos surcos muy pronunciados, también se observa transformación de material entre el disco ya que aparecen zonas oscuras. Se puede reconocer este problema por la Figura 1.13 Falla por desgaste excesivo disminución de la eficacia del freno así como por el de las pastillas. ruido que produce al frenar, con el consiguiente incremento de la temperatura que se produce en el contacto metal - metal. Para evitarlo se debe de verificar el desgaste de las pastillas cada 10.000 km. así como debe de verificarse el estado del circuito eléctrico del testigo del desgaste para que un fallo de este no produzca el problema descrito (Ver figura 1.13).
1.1.4.9 Disco dañado por material de fricción vitrificado. Descripción del problema: Este problema es causado por materiales de fricción de baja calidad y en vehículos muy exigentes con el freno; debido a sus altas prestaciones, al ser vehículos dedicados al reparto u otras condiciones extremas impuestas por el conductor. Los principales síntomas de este problema son frenadas muy largas, ya que hay una pérdida importante de propiedades de frenado. El pedal además de Figura 1.14 Falla por sentirse muy duro, pierde toda la sensación de frenado. cristalización de las pastillas. Este problema es frecuente cuando se emplean pastillas de freno con un alto contenido de resinas para facilitar su producción o cuando las pastillas no “escorchadas” no han sido suficientemente curadas en prensa o en el horno. Normalmente este problema va asociado también a un alto nivel de chirridos. Es importante destacar que las pastillas de freno no se recuperan después de haber sufrido este problema.
17
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Con lo cual, deben ser sustituidas por unas nuevas pastillas de freno de calidad contrastada, obsérvese en la figura 1.14. 1.1.4.10 Surcos y rayas profundas Descripción del problema: La formación de rayas o surcos profundos pueden haber sido causados por la interposición de diferentes materiales extraños entre la pastilla y el disco. Estos materiales se pueden haber introducido entre la pastilla y el disco durante la conducción. También puede estar provocado por una acumulación del material duro de la pastilla al tener un mal proceso de mezclado o elementos extraños Figura 1.15 Falla de disco por durante el proceso de fabricación. ralladuras y surcos. Los síntomas que podemos detectar son la aparición de ruidos muy desagradables tanto durante el proceso de frenado, como sin frenar. En la figura 1.15 se aprecia una reducción de la eficacia de frenado debido a la reducción de la superficie útil de contacto entre el disco y la pastilla. 1.1.4.11 Depósitos de material de fricción en los discos. Descripción del problema: Se forman depósitos del material de fricción sobre el disco que se han quedado adheridos sobre el mismo debido a una alta temperatura. Se aprecian vibraciones muy leves en un principio y dependiendo de la presión de frenado, pero al ir transcurriendo el tiempo las vibraciones se hacen mayores así como aparecen ruidos. Este tipo de problemas es típico de materiales de Figura 1.16 Falla por depósitos de fricción de baja calidad en los que a partir de una cierta material en los discos.
temperatura se produce la transferencia del material de fricción al disco con la consiguiente pérdida de la planicidad de éste, así como la modificación de las características funcionales del conjunto pastilla/disco (Ver figura 1.16).
18
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
CA APÍTULO 2 ASPECT TOS TEÓRIICOS 2.1 DISEÑ ÑO Y SELE ECCIÓN DE E MATERIIALES.
De forrma general los pasos paara la selecciión de un maaterial aproppiado desde el e diseño hassta el procceso de man nufactura de un componnente se basaa en el diagrrama de flujo de la Figuura 2.1.
Dise eño
Sellección del M Material
Selección del o Proceso
Possible Rediseño o Modifiicación
Evvaluación
Producció ón
Figura2.1 D Diagrama de fflujo para el p procedimientto de la seleccción de mate eriales.
El prim mer paso paara selecciónn de algunoss materiales es definir laa necesidad del desarrollo del nuuevo productto. Estos requuerimientos son basadoss en tres prinncipales áreaas: a) Coonsideraciones de forma y geometríaa del componnente. b) Reequerimiento os de las proppiedades dell componentte. c) Proocesos de manufactura requeridas r paara la fabricaación del nuevo componnente(2). Un dibbujo a escala puede dar una idea accerca de la forma f y com mplejidad de la parte, esttas considderaciones dee la forma del nuevo com mponente ayyudan a tomaar una mejorr decisión paara plantear el métod do de fabriccación de laa parte. Alggunas de lass preguntas que se debben considderar son:
19
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.- ¿Cuál es el tamaño relativo de la parte? 2.- ¿Qué tan complejo es este componente? 3.- ¿Hay algún eje ó plano de simetría? 4.- ¿Puede el componente ser dividido en formas simples para su proceso de fabricación? 5.- ¿Cuantas dimensiones pueden ser especificadas? 6.- ¿Qué tan precisas pueden ser estas dimensiones? 7.- ¿Cómo este componente interactúa geométricamente con otros componentes? 8.- ¿Hay algunas restricciones impuestas por esta interacción? 9.- ¿Cuáles son los requerimientos de la superficie final? 10.- ¿Cuánto pueden cambiar las dimensiones por desgaste o corrosión? 11.- ¿Puede cambiar una mínima parte o incrementar su geometría al estar sometida la parte a esfuerzos mecánicos (al sufrir fracturas ó fatiga del material)? Estos requerimientos ciertamente influyen en la selección de los materiales y su método de fabricación. Las especificaciones son muy importantes en el diseño de un componente. Se debe considerar las propiedades mecánicas y físicas del material elegido en base al medioambiente en el cual el material va a desempeñarse, también se debe considerar su proceso de manufactura. Cuando evaluamos el material elegido podemos referenciarnos en datos bibliográficos de estudios que ya fueron realizados en materiales ya estandarizados y caracterizados. Es importante verificar las condiciones de estas pruebas para poder compararlas con las aplicaciones propuestas. Variaciones significativas en factores como temperatura, velocidades de deformación ó superficie final pueden conducirnos a mejorar los materiales propuestos. Uno de los propósitos de una especificación es establecer un estándar dado por un experto de materiales. Las propiedades básicas elegidas para el estándar son usualmente una capacidad del material para poder predecir las posibles fallas y la causa que las produzca. El grado y uso de los hierros para algún componente son de suma importancia y el ingeniero de diseño de materiales primero debe contestar las siguientes preguntas: 1.- ¿Bajo qué esfuerzos trabajará el material, estáticos ó fatiga? 2.- ¿Bajo qué esfuerzos de impacto trabajara el material? 3.- ¿Qué parte del material requiere maquinado? 4.- ¿Está sujeto a deslizamiento o desgaste por abrasivos? 5.- ¿A qué temperatura va a operar el material?
20
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
6.- ¿Cuánta distorsión es permisible para el material bajo carga? 7.- ¿El material está sujeto a choques térmicos? 8.- ¿El medio ambiente es corrosivo?
2.1.1 Consideraciones de diseño de los discos de freno.
El objetivo general de la ingeniería de diseño es crear un componente que desempeñe la función deseada con eficiencia y seguridad. El objetivo último de los discos de freno es impedir que fallen mientras están en servicio, a fin de evitar un costo en vidas humanas, en primer lugar y en segundo ofrecer comodidad y las prestaciones demandadas por el cliente. Las causas de falla pueden ser por: deficiencias de diseño, de selección de materiales, de tratamiento del material, de fabricación o de montaje del disco de freno. El mejor diseño con un material erróneo o el mejor material con un diseño deficiente no producirán el rendimiento óptimo deseado. Limitemos el análisis a la selección óptima de los materiales. Para hacer esta selección, es necesario conocer en detalle las características de los discos de freno en términos de sus propiedades (microestructurales, mecánicas, físicas y químicas).
21
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.1.2 Diagrama de materiales. Quizá la tarea que más tiempo consume en la selección de materiales es la recopilación de la información sobre sus propiedades a fin de cumplir con los requisitos y restricciones del diseño. Actualmente la mayor parte de los datos están disponibles en forma de software, lo cual facilita enormemente el procedimiento de selección, al menos en la etapa de diseño conceptual. Parte de esta información se sintetiza de manera compacta en los diagramas de materiales (Figura 2.2), que son gráficas de las propiedades que constituyen los factores de maximización. Estos diagramas son obra de Ashby(3).
Figura 2.2 Diagrama de la densidad de materiales en función de la resistencia.
22
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.2 METALURGIA DE LOS HIERROS. 2.2.1 Diagrama de fases Fe-C. El diagrama de fases del sistema binario Fe-C (Figura 2.3) es caracterizado por las fases en equilibrio estable (grafito) y metaestable (Fe3C). Benz y Elliott(4) determinaron la zona de la austenita solidus del sistema Fe-C. El diagrama del sistema Fe-C es la base fundamental para el estudio y compresión de la solidificación de las fundiciones de hierro. Este diagrama muestra los rangos de existencia de las fases presentes tales como: austenita (γ), ferrita (α), grafito (g) y cementita (Fe3C) en función de la temperatura y el contenido de carbono, las principales propiedades de las fases presentes son mostradas en la tabla 2.1.
Figura 2.3 Diagrama de fases del sistema de equilibrio Fe‐C
23
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Tabla 2.1 Propiedades físicas de las fases del diagrama binario del sistema Fe‐C.
Fase
Sistema cristalino
Parámetro de red cristalina
Densidad
Austenita (γ)
C.C.C.
a = 3.56 Å
7.88 g/cm3
Ferrita (α)
C.C.
a = 2.86 Å
7.87 g/cm3
Grafito (g)
H.C.C.
Cementita Ortorrombico (Fe3C)
Volumen molar
Tensión interfacial
7.16 cm3/mol 2x10‐5 J/cm2
Dureza
200 HB 80 – 90 HB
2.2 g/cm3 5.41 cm3/mol 5x10‐5 J/cm2 13 ‐ 18 HB a=4.514 Å b=4.080 Å c=6.734 Å
7.66 g/cm3
23.10 cm3/mol
5x10‐5 J/cm2
800 HB
2.2.2 Propiedades mecánicas y físicas de los hierros. Las principales propiedades ingenieriles y físicas para los hierros son las siguientes: esfuerzo tensil, el modulo de elasticidad, facilidad a la maquinabilidad, dureza, esfuerzo al impacto, resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y abrasión. Dependiendo de las propiedades buscadas cada parte se somete a las pruebas pertinentes para cada propósito. Dentro de la industria automotriz el uso de técnicas y estándares ya establecidos facilitan el diseño de cada componente. Las Normas más usuales para este tipo de industria son la ASTM, AFS, SAE, BRITISH STANDARD, etc. Entre las más importantes se puede referenciar a las de la ASTM (American Standard Testing Materials). En la tabla 2.2, se muestran los principales grados de hierros para la industria automotriz y en las tablas 2.3 y 2.4 se muestran las durezas de los hierros grises laminares en función de su microestructura y la capacidad al amortiguamiento a las vibraciones (DAMPING) para algunas aleaciones ferrosas(5).
24
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Tabla 2.2 Grado de hierros grises automotrices para propósitos de diseño por SAE J431.
Grado SAE
Dureza HB
Esfuerzo máximo tensil
Otros requerimientos
(psi)
(MPa)
G1800
187 máx.
18000
124
G2500
170‐229
25000
173
G2500**
170‐229
25000
173
3.4% de carbono mínimo y microestructura especificada.
G3000
187‐241
30000
207
G3500
207‐255
35000
241
G3500b**
207‐255
35000
241
3.4% de carbono mínimo y microestructura especificada.
G3500c**
207‐255
35000
241
3.4% de carbono mínimo y microestructura especificada.
G4000
217‐269
40000
276
** Para aplicaciones tales como discos y tambores de freno, platos de embragues resistentes a choques térmicos.
Rangos de dureza para diferentes hierros grises. Tabla 2.3 Rangos de dureza para diferentes hierros grises.
Tipo de hierro gris
Microestructura
Dureza HB
Recocido suave
Ferrítico total
110‐140
Ordinario
Perlítico‐ferrítico
140‐200
Alto esfuerzo
Perlita fina
200‐270
Aleación acicular
Bainita
260‐350
Austenitico
Austenita
140‐160
Endurecido por tratamiento térmico
Martensita
480‐550
Endurecido y templado
Martensita templada
250‐450
Templado (hierro blanco)
Perlita y carburos
400‐500
25
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Capacidad relativa a la absorción del vibrado (Damping) para algunos materiales. Tabla 2.4 Capacidad relativa a la absorción del vibrado (Damping) para algunos materiales.
Material
Absorción del vibrado x 10‐4
Hierro blanco
2 ‐ 4
Hierro maleable
8 ‐ 15
Hierro dúctil
5 ‐ 20
Hierro gris con hojuelas finas
20 ‐ 100
Hierro gris con hojuelas gruesas
100 ‐ 500
Acero eutectoide
4
Hierro Armco
5
Aluminio
0.4
26
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.2.3 Morfología y distribución de las hojuelas de grafito en los hierros grises. Las grandes hojuelas de grafito interrumpen seriamente la continuidad de la matriz perlítica, reduciendo de esta manera la resistencia y la ductilidad del hierro gris. Las pequeñas hojuelas de grafito son menos dañinas y por lo tanto, generalmente se prefieren. La distribución grafítica está clasificada en 6 tipos señaladas con las letras de la A a la F como lo muestra la figura 2.4(6).
Tipo A
Tipo D
Tipo B
Tipo C
Tipo E
Tipo F
Figura 2.4 Distribución del grafito según ASTM A 247.
Distribución del grafito según ASTM A 247. • Tipo A. La distribución del grafito se caracteriza por una distribución uniforme de las hojuelas y sin una orientación ordenada. • Tipo B. La distribución del grafito se caracteriza por formar grupos de rosetas y sin una orientación ordenada. • Tipo C. La distribución del grafito se caracteriza por hojuelas grandes superpuestas entre si y sin una orientación ordenada. • Tipo D. La distribución del grafito se caracteriza por presentar segregación ínter dendrítica y sin una orientación ordenada. • Tipo E. La distribución del grafito se caracteriza por presentar segregación ínter dendrítica y con una orientación preferida
27
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Los tamaños se señalan con números del 2 al 7 para hierro gris en la figura 2.5
Tamaño Clase 2
Tamaño Clase 3
Tamaño Clase 5
Tamaño Clase 4
Tamaño Clase 6
Tamaño Clase 7
Figura 2.5 Tamaños de hojuelas de grafito según ASTM A 247. Tabla 2.5 Tamaño de las hojuelas en mm según ASTM A 247.
Tamaño Clase
A (mm)
2
40
3
27
4
14
5
7
6
3.5
7
2
Los tamaños de las hojuelas de grafito generalmente se determinan por comparación visual de los tamaños estándar preparados conjuntamente por la norma ASTM A 247 y están mencionados en la tabla 2.6
28
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Tabla 2.6 Longitud de las hojuelas de grafito a 100x, de acuerdo a la ASTM A‐247.
Tamaño Clase
Máxima dimensión a 100x A (mm)
1
128
2
64
3
32
4
16
5
8
6
4
7
2
8
1
2.2.4 Influencia de los elementos aleantes en los hierros grises(7). El hierro que contiene otros elementos además del C, Si, Mn, P y S, se le denomina hierro aleado. Los hierros normalmente se alean con los siguientes elementos: Cr, Ni, Mo, Sn, Cu, V, Ti y Al. En muchos hierros la interacción con la cantidad de los elementos aleantes incluyendo el silicio y el carbono tienen grandes efectos en sus propiedades. Esta influencia es tan grande como la cantidad, forma y tamaño de las hojuelas de grafito presentes en los hierros. Por ejemplo la profundidad del temple o la tendencia del hierro a ser hierro blanco depende del carbono equivalente. El balance del carbono y silicio y la adición de otros elementos pueden únicamente modificar la tendencia básica establecida por la relación carbono-silicio. En general, únicamente pequeñas cantidades de elementos aleantes son necesarios para mejorar la profundidad al temple, dureza y resistencia. 2.2.4.1 Carbono en el hierro fundido. A medida que aumenta la cantidad de carbono aumenta la posibilidad de obtener grafito tipo A, también aumenta el número de granos eutécticos y disminuye la cantidad de austenita en el hierro aumentando la tendencia a la grafitización primaria.
29
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.2.4.2 Silicio en el hierro fundido. El silicio incrementa la fluidez y tiene efecto sobre la solidificación de la aleación fundida. La composición eutéctica se mueve a la izquierda (aproximadamente 0.30% de carbono por cada 1% de silicio), lo cual abate efectivamente la temperatura a la cual la aleación empieza a solidificar. Conforme aumenta el contenido de silicio, disminuye el área de campo de la austenita, el contenido de carbono eutectoide decrece y la transformación eutectoide ocurre sobre un intervalo que se amplía. El silicio es un grafitizante y si no está contrabalanceado por los elementos de promoción de carburos, favorece la solidificación de acuerdo con el sistema estable Fe-C. La figura 2.6 muestra la relación del contenido de carbono y silicio y la estructura obtenida(8). %C
5 4.3
4 3 I
II
2 hierro
III
hierro
blanco
hierro ferrítico
perlítico
1 0
1
2
3
4
5
6 7 %Si
Figura 2.6 Relación de la estructura entre el contenido de carbono y silicio de un hierro fundido.
En la región I, la cementita es estable y la estructura será hierro fundido blanco. En la región II, el silicio produce la grafitización de todo el carburo de hierro, excepto la cementita eutectoide. La microestructura consistirá de hojuelas de grafito en una matriz básicamente perlítica. En la región III, el silicio produce la completa disociación de la cementita a grafito y ferrita, dando como resultado un hierro fundido ferrítico gris de muy baja resistencia. La figura 2.7 muestra la influencia del contenido de carbono y silicio sobre la resistencia tensil. La máxima resistencia tensil se obtiene con 2.75%C y 1.5%Si. Estos porcentajes darán como resultado un hierro perlítico gris. Si los porcentajes de silicio son tales que pudieran formar un hierro blanco o un hierro perlítico gris, la resistencia tensil será baja.
30
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
%C 5.0 4.3
4.0 inferior a 20 000 lb/pg2
3.5 20 000 a
3.0
superior inferior a
2.5
25 000 a
a 40 000
25 000
30 000
30 000 25 000 a
2.0
30 000
0
1
2
3
4 %Si
Figura 2.7 Relación de la resistencia tensil entre el contenido de carbono y silicio de un hierro.
2.2.4.3 Azufre en el hierro fundido. El efecto del azufre es el contrario que el silicio, actúa como antigrafitizante. A mayor cantidad de azufre mayor será la cantidad de carbono combinado, tendiendo de esta manera a producir un hierro blanco, duro y frágil. El azufre reacciona con el hierro formando FeS, este compuesto de bajo punto de fusión presenta delgadas capas interdendríticas y aumenta la posibilidad de que haya fisuras a altas temperaturas (fragilidad al rojo). El azufre en grandes cantidades tiende a reducir la fluidez y suele causar cavidades (aire atrapado) en las piezas fundidas. Con valores de 0.05% a 0.10% de azufre, existe un incremento en el grado de subenfriamiento (ΔT), el número de granos eutécticos (N) y la distancia entre las laminillas de grafito (λ). Lo cual significa, que también aumenta la longitud de estas laminillas y disminuye la probabilidad de obtención de grafito tipo D. Debido al aumento de ΔT, la probabilidad de la solidificación de la fundición según el sistema metaestable (FeFe3C), también aumenta, ya que el contenido de azufre presente normalmente tiene un efecto muy pequeño sobre las temperaturas 2.2.4.4 Manganeso en el hierro fundido. El exceso de manganeso tiene poco efecto en la solidificación y sólo retarda débilmente la grafitización primaria; sin embargo, sobre la grafitización eutectoide, el manganeso es un fuerte estabilizador de carburos, que tiende a incrementar la cantidad de carbono combinado, pero es mucho menos potente que el azufre. El manganeso se combina con el azufre produciendo sulfuros de manganeso (MnS), que da lugar a gránulos muy duros y abrasivos. Los contenidos máximos de sulfuro de manganeso deben ser menores a 1%. A medida que aumenta el contenido de manganeso, disminuye el número de celdas eutécticas,
31
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
aumentando el grado de subenfriamiento disminuye la longitud del grafito sobre la muestra metalográfica y aumenta la tendencia a la formación de grafito tipo D y la matriz perlítica. 2.2.4.5 Cobre en el hierro fundido. El cobre favorece la formación de grafito durante la solidificación. La solubilidad del cobre en las fases sólidas del hierro, se encuentran entre 0.15 a 3.5%, el cobre da buena maquinabilidad al hierro. 2.2.4.6 Fósforo en el hierro fundido. El fósforo se combina con el hierro para formar fosfuro de hierro (Fe3P), el cual constituye un eutéctico ternario con la cementita y la austenita (perlita a temperatura ambiente). El eutéctico primario se conoce como esteadita y es una característica normal en la microestructura de los hierros fundidos. La esteadita es relativamente frágil y con alto contenido de fósforo, en tanto que las áreas de esteadita tienden a formar una red continua, delineando las dendritas primarias de austenita. La condición reduce la tenacidad y hace frágil al hierro fundido, de manera que el contenido de fósforo debe controlarse cuidadosamente para obtener propiedades mecánicas óptimas. 2.2.4.7 Cromo en el hierro fundido. El cromo es un elemento que favorece fuertemente la formación de carburos durante la solidificación del hierro y la matriz perlítica durante la transformación eutectoide. Además, a medida que aumenta el contenido de cromo, la zona austenitica disminuye, y cuando esta fase desaparece completamente, la formación eutectoide no es posible y se obtiene una matriz ferrítica aleada. El cromo aumenta la dureza y la resistencia a la tensión del hierro gris. 2.2.4.8 Níquel en el hierro fundido. El níquel es un elemento que facilita la formación de grafito y de perlita, aumenta la dureza y la resistencia a la tensión del hierro.
32
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.2.4.9 Molibdeno en el hierro fundido. El molibdeno es un elemento refinador de perlita, puesto que disminuye su espacio ínterlaminar. Esto provoca un aumento sustancial de la dureza de esta fase, mejorando la resistencia a la tensión del hierro. 2.2.4.10 Estaño en el hierro fundido. El estaño no influye sobre la formación de carburos durante la solidificación. Es un elemento que elimina fuertemente la ferrita en la estructura del hierro, aumentando así la fineza de la perlita, lo cual mejora las propiedades mecánicas del hierro. La influencia del estaño sobre la estructura y propiedades mecánicas es casi 10 veces menos fuerte que el cobre. 2.2.4.11 Vanadio en el hierro fundido. Influye sobre la estructura del hierro de manera semejante al cromo y al molibdeno. A medida que aumenta su contenido en el hierro, también aumenta la tendencia al temple y la fracción de perlita, además es un fuerte refinador de perlita. 2.2.4.12 Aluminio en el hierro fundido. Este elemento en contenidos hasta 2% disminuye las propiedades mecánicas del hierro gris, disminuyendo simultáneamente la tendencia del hierro al temple. A contenidos mayores, forma carburos aumentando la dureza del hierro y su fragilidad. 2.2.4.13 Otros elementos. El plomo aumenta la dureza y disminuye la resistencia a la tensión del hierro, similarmente influye también el bismuto. El wolframio (tungsteno) similarmente como el molibdeno, aumenta las propiedades mecánicas del hierro gris.
33
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
CA APÍTULO 3 3. DE ESARROLLO EXPER RIMENTAL L 3.1 METODOLO OGÍA. Se disseñaron difeerentes tiposs de aleacionnes para obbtener tres discos d de freeno los cualles fueronn sometidos a diversos ensayos parra la obtención de los resultados r n necesarios paara determ minar la calid dad y compoortamiento mecánico m dee estas aleaciones de hieerro gris seggún las norrmas aplicad das a la fabriicación de loos discos de freno. La carracterización n de los disccos de freno (Figura 3.1)) consistió en analizar suu composiciión químicca la cual se s llevo a caabo mediante la técnicaa de espectrrometría de emisión o de chispaa. Para la caaracterizacióón de la ressistencia meecánica se reealizaron trees ensayos; el primerro de durezaa en escala Brinell B (HB)) de acuerdoo a la Normaa ASTM E 10, 1 el segunndo de resiistencia a la tensión de acuerdo a a la Norma AST TM E 8M, y el tercero dee resistenciaa al desgasste de acuerrdo a la Norrma ASTM G 65. Se effectuó el anáálisis metaloográfico de los l disco de d freno de acuerdo a a la norma AST TM A 247.
Carracterización de llos discos de freno.
Análisis Q Quimico
Análisis Metalografico
Ensaaye de Durezaa
Ensaaye de resisteencia a la Ten nsión
Ensaye de resistencia al Desgastte
Figura 3 3.1 Caracterización de los d discos de freno.
34
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Las probetas de los discos fueron identificadas según la descripción de la Tabla 3.1
Tabla 3.1 Nomenclatura de las probetas extraídas de los discos de freno.
Disco 1
2
Nomenclatura de las probetas 1A 1B 1C 1D 2A 2B 2C 2D
3
3A 3B 3C 3D
Ensaye Análisis metalográfico Dureza Brinell Resistencia a la tensión Resistencia al desgaste Análisis metalográfico Dureza Brinell Resistencia a la tensión Resistencia al desgaste Análisis metalográfico Dureza Brinell Resistencia a la tensión Resistencia al desgaste
3.1.1 Análisis químico. El método analítico utilizado para el análisis del Si, Mn, Cu, P y Sn en este trabajo fue la espectrometría por emisión ó espectrometría de chispa (Figura 3.2). Este método consiste en hacer pasar una corriente corta e intensa que provoca una chispa entre un electrodo conductor y la pieza a analizar. Teniendo en cuenta la distancia y la dimensión del electrodo, la superficie que se analiza es un cilindro de unos 4mm de diámetro. Para conseguir una medición representativa, se provocan chispas en varios puntos. Debido al calor desprendido y a la temperatura conseguida localmente, los metales contenidos se volatilizan en un plasma. Entonces emiten una luz cuya longitud de onda corresponde a su estructura atómica y cuya intensidad es proporcional a su concentración. El análisis de precisión del espectro de la luz emitida proporciona la composición química de la fundición y el resultado puede compararse con tablas de referencia. Para el análisis del C y S se uso un equipo LECO para mayor precisión. Los análisis de espectrometría por emisión se realizaron en la empresa Fabricaciones Industriales TUMEX S.A. de C.V., para el análisis se realizaron tres determinaciones por muestra para corroborar la veracidad de los datos obtenidos.
35
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 3.2 Espectrómetro por emisión o de chispa.
Adicionalmente el carbono equivalente fue calculado mediante la ecuación 1:
%
%
%
Ecuación 1
3.1.2 Análisis metalográfico. Las probetas para el análisis metalográfico fueron extraídas de la pista de frenaje de cada uno de los discos (Figura 3.3) denominadas Serie “A” con la finalidad de identificar cuales fueron tomadas para cada prueba, las probetas fueron pulidas a espejo mediante lijas de carburo de silicio con una malla desde 180 hasta 1000, para después pasar al pulido con paño y pasta de diamante o alúmina, con la finalidad de obtener un pulido a espejo para mejores resultados.
Figura 3.3 Extracción de la probeta para el análisis metalográfico.
36
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
El análisis metalográfico fue efectuado en un microscopio óptico de la marca Nikon modelo Epiphot con una magnificación de hasta 1000X (Figura 3.4), el cual mediante una cámara y el software de la misma se obtienen las imágenes o video de las metalografías de cada una de las piezas pulidas. La norma utilizada para este análisis es la ASTM A 247.
Figura 3.4 Microscopio óptico.
Las muestras metalográficas fueron analizadas con el objeto de obtener características principales ya sea de los grafitos o de las fases presentes (Ferrita y Perlita). De los grafitos ya sea el tipo de grafito, tamaño del grafito y distribución. Esta se realiza sin un ataque químico y con una magnificación bajo norma de 100X. Para las fases presentes el ataque químico se realizo con Nital al 2% el cual se compone de 2 ml. de acido nítrico y 98 ml. de alcohol etílico, las probetas son atacadas por un lapso no mayor de 15 segundos (Figura 3.5), las imágenes son obtenidas a magnificaciones 400X en el mismo microscopio óptico para poder identificar las fases presentes en el material a analizar.
Figura 3.5 Ataque químico.
37
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
La morfología y distribución de las hojuelas de grafito es obtenida mediante un software analizador de imágenes IMAGEJ PRO PLUS (Figura3.6) bajo la plataforma java analiza las imágenes obtenidas en el microscopio a 100X, identificando en escala de grises los grafitos y así obtener los diferentes parámetros de los grafitos tales como: tamaño, área, porcentaje de grafito, perímetro, etc.
Figura 3.6 Obtención de la distribución del grafito.
3.1.3 Ensaye de dureza Brinell. Las probetas para el ensaye de dureza Brinell fueron extraídas de igual manera que las probetas para el análisis metalográfico de la pista de frenaje de los discos de freno (Figura 3.7) denominadas serie “B” para su identificación estas fueron rectificadas de ambas caras para obtener caras paralelas adecuadas para el ensaye en el durómetro.
Figura 3.7 Extracción de la probeta para el ensaye de dureza Brinell.
38
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
El ensaye de dureza Brinell fue efectuado en un durómetro Brinell de la marca Akashi modelo ABK-1 con una capacidad de 3000 kgf (Figura 3.8) los datos fueron tomados de acuerdo a la norma ASTM E 10 (Anexo 3). Las condiciones del ensaye fueron; una carga de 3000 kgf con un identador de 10 mm. Se obtuvieron tres lecturas de dureza Brinell en cada probeta (Figura 3.9).
Figura 3.9 Identaciones del ensaye de dureza Brinell.
Figura 3.8 Durómetro Brinell.
La dureza Brinell se determina mediante la lectura del diámetro de la huella que dejo el identador sobre la probeta ensayada (Figura 3.10), se toman los diámetros tanto en el eje X como en el eje Y para obtener resultados más precisos. Estos diámetros son tomados mediante un microscopio óptico de la marca Mitutoyo modelo AT111-100F con un lente de 10X, y también se ocupa un lector de desplazamiento en los ejes X y Y (Figura 3.11) el cual mediante los botones de desplazamiento colocados en la platina en los ejes y así se determinan los diámetros de la huella para obtener los valores de dureza de nuestro material(9).
Figura 3.10 Huella ensaye de dureza Brinell.
Figura 3.11 Microscopio y lector de desplazamiento.
39
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.1.4 Ensaye de resistencia a la tensión.
Para realizar este ensaye fueron extraídas tres probetas de cada uno de los discos a ensayar, directamente de la pista de frenaje. Ya que en ella es donde el disco se desempeña junto con las balatas o cojinetes. La figura 3.12 muestra el arreglo en que fueron extraídas.
Figura 3.12 Extracción de las probetas para el ensaye de tensión.
El ensaye de tensión fue efectuado en una máquina de la marca SHIMADZU modelo AUTOGRAPH AG-10TG con una capacidad de 100 kN (Figura 3.13) la cual está conectada a un controlador computarizado. Esta es programada de acuerdo a las dimensiones de cada una de las probetas, una vez iniciado el ensaye, el software toma lecturas de la prueba cada 0.05 segundos de acuerdo a la velocidad programada que fue de 3 mm⁄min. El ensaye es realizado mediante el uso de dos mordazas (Figura 3.14).
40
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 3.13 Maquina de tensión.
Figura 3.14 Mordazas de la máquina de tensión.
En la figura 3.15(10) se muestran las dimensiones normalizadas para el maquinado de las probetas para llevas a cavo la él ensaye de resistencia a la tensión. De acuerdo a nuestro material se selecciona una probeta de tamaño estándar con un diámetro D = 9 mm.
Figura 3.15 Especificaciones ASTM para el ensaye de resistencia a la tensión.
41
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.1.5 Ensaye de resistencia al Desgaste.
Este ensaye fue efectuado en una máquina tribológica de abrasión seca (Figura 3.16) la cual trabaja mediante un contrapeso el cual actúa como fuerza normal para realizar el contacto entre la probeta a ensayar y un disco de acero con caucho vulcanizado girando a 200 RPM y un flujo de arena silica que cae por medio de una torreta entre el disco y la probeta a un flujo controlado de 400 ⁄ bajo la norma ASTM G 65, este ensaye se realiza en 6 lapsos con una duración de 3 minutos y 27 segundos tiempo en el cual recorre 500 m, en cada uno de los lapsos se pesa la probeta para obtener el peso perdido y llegar a una distancia de 3000 m, los pesos son dados con un alcance de hasta 0.0001 g. Para representar los resultados bajo norma se debe de obtener el volumen perdido esto se obtiene mediante la ecuación 2(11):
⁄
1000
Ecuación 2
La anterior formula nos arroja 2 variables el volumen perdido y la densidad la cual podemos determinar con la ecuación 3(12) para así obtener el volumen perdido.
⁄
8.11
0.223 % 0.097 % Ecuación 3
0.071 %
Figura 3.16 Máquina tribológica de abrasión seca.
42
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPÍTULO 4 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 ANÁLISIS QUÍMICO.
Las composiciones químicas obtenidas en los discos de freno por medio de espectrometría de emisión o de chispa y LECO de carbono y azufre para cada una de las pruebas que se desarrollaron, son representadas en la Tabla 4.1. Estas aleaciones fueron diseñadas con contenidos de silicio de 1.70 a 2.00%, el azufre fue controlado de 0.055% a 0.061%, el fosforo de 0.032% a 0.039%, el carbono de 3.700% a 3.800% y en cantidades menores a 1% se utilizaron Mn, Cu y Sn.
Tabla 4.1 Composición química obtenida de los discos de freno (% en peso). Disco
CE
C (%)
S (%)
Si (%) Mn (%) Cu (%)
P (%)
Sn (%) Fe (%)
1
4.497
3.799
0.055
2.055
0.736
0.243
0.032
0.058
93.022
2
4.399
3.717
0.061
2.007
0.753
0.255
0.039
0.052
93.116
3
4.369
3.733
0.059
1.761
0.740
0.242
0.034
0.055
93.376
4.1.1 Carbono equivalente.
En la Tabla 4.1 también se pueden apreciar los valores de CE de cada unos de los discos de freno diseñados. Con este contenido de carbono equivalente más adelante será detallada su influencia sobre la morfología de las hojuelas de grafito, como de la perlita y su refinamiento durante la solidificación del hierro y sobre las propiedades mecánicas.
43
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
4.2 ANÁLISIS METALOGRÁFICO.
Los análisis metalográficos obtenidos del núcleo de la probeta de los discos de freno como se muestra en la figura 4.1 ya que este es el punto neutro en los esfuerzos mecánicos y el último punto el cual el material se enfría y solidifica después de su vaciado en el molde. Las siguientes fotomicrografías (Figuras 4.2, 4.3, 4.4) se pueden observar las diferencias en morfología y distribución de las hojuelas de grafito en toda la pista de frenaje. Al comparar visualmente con las especificaciones ASTM A 247 se determino el tamaño, tipo y clase de las hojuelas de grafito en cada uno de los discos.
Figura 4.1 Zona neutral en la pista de frenaje.
44
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 4.2 Análisis metalográfico de la probeta 1A.
En la probeta 1A se encontraron las hojuelas de grafito con tamaños 1 y 2 y un porcentaje de ferrita de 10. En la Tabla 4.2 se pueden ver los resultados obtenidos de la metalografía y del análisis de imágenes, así como el cálculo de las diferentes fases del hierro.
Tabla 4.2 Resultados de la metalografía en la probeta 1A.
Tipo de
Tamaño
Grafito
clase
A
2
Tamaño
Área promedio de Grafito
120 – 160 µm 0.0001907 μm²
Cantidad
Cantidad
de Grafito de Perlita 8.96 %
75 %
Cantidad de Ferrita 10 %
45
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 4.3 Análisis metalográfico de la probeta 2A.
En la probeta 2A la morfología de las hojuelas de grafito determinada son: tamaño 2 y 3 con porcentaje de ferrita del 1. En la Tabla 4.3 se pueden ver los resultados obtenidos mediante la metalografía y el análisis de las imágenes, así como el cálculo de las diferentes fases del hierro.
Tabla 4.3 Resultados de la metalografía en la probeta 2A.
Tipo de
Tamaño
Grafito
clase
A
2 ‐ 3
Tamaño
Área promedio de Grafito
40 – 140 µm 0.0003114 μm²
Cantidad
Cantidad
de Grafito de Perlita 14.166 %
83 %
Cantidad de Ferrita 1 %
46
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 4.4 Análisis metalográfico de la probeta 3A.
En la probeta 3A la morfología de las hojuelas de grafito obtenidas son de un tamaño 3 y 4 y un porcentaje de ferrita de 0. En la Tabla 4.4 se pueden observar los resultados obtenidos mediante la metalografía y el análisis de las imágenes tomadas con el microscopio así como el cálculo de las diferentes fases del material.
Tabla 4.4 Resultados de la metalografía en la probeta 3A.
Tipo de
Tamaño
Grafito
clase
A
3 ‐ 4
Tamaño 40 – 80 µm
Área promedio de Grafito 0.0002543 μm²
Cantidad
Cantidad
de Grafito de Perlita 13.265 %
88 %
Cantidad de Ferrita 0 %
47
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
4.2.1 Comparació C ón entre los análisis meetalográficaas de cada muestra. m Al comprobar loss análisis metalográfico m os de las diiferentes muuestras entree sí, podem mos determ minar que ex xisten diferenncias notablees como se observa o en laa Tabla 4.5. Tabla 4.5 Comparaación de los análisis metalográficos en los tres disco os. Tip po de Tamaño Tamaño o Área pro omedio Cantidad Can ntidad Canttidad Carb bono Disco Graafito clase e µm de Grafito μm² de Grafito de P Perlita de Feerrita equivvalente 1 A 2 120 – 16 60 0.0001 1907 8 8.96% 7 75% 10 0% 4.4 497 2 A 2 ‐ 3 3 40 – 140 0.0003 3114 14 4.17% 8 83% 1 1% 4.3 399 3 A 3 ‐ 4 4 40 – 80 0 0.0002 2543 13 3.27% 8 88% 0 0% 4.3 369
4.2.2 Influencia I del d carbono equivalentee en relación n con la miccroestructurra obtenidaa.
4.52 4.5 4.48
CE (%)
4.46 4.44 4.42 4.4 4.38 4.36 0
1
2
3
4
5
6
Numero dessignado a caada disco de e freno. Figurra 4.5 Influen ncia del carbo ono equivalen nte sobre la m microestructu ura de los disscos de freno o.
El conntenido de carbono c equiivalente tienne una gran influencia sobre s la morrfología de las l hojuellas de grafito o (tipo, tamaaño clase, tam maño longituud y área proomedio de grafito) g y sobbre las fasses presentes (% grafitoo, % perlita,, % ferrita) después de la solidificaación como se puede observar en n la figura 4.55.
48
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
4.3 ENSAYE DE DUREZA BRINELL. Los ensayos de dureza fueron realizados a condiciones normalizadas de temperatura y humedad relativa para obtener resultados más precisos. Todos los ensayos fueron efectuados bajo una carga de 3000 Kgf y con un identador de 10 mm de diámetro, según la norma ASTM E 10. Se muestra en las tablas 4.6, 4.7, 4.8 los resultados para cada uno de los discos. Ensaye de dureza Brinell en la probeta 1B T=23.7° P=3,000 29 420 %
37%
20
Tabla 4.6 Ensaye de dureza en la probeta 1B. Prueba No.
dx (mm)
dy (mm)
Dp(mm)
HB
1
4.98
4.669
4.8245
154
2
5.015
4.697
4.856
152
3
4.996
4.71
4.853
152 HB=
Ensaye de dureza Brinell en la probeta 2B T=23.7° P=3,000 29 420 %
37%
152.666667
20
Tabla 4.7 Ensaye de dureza en la probeta 2B. Prueba No.
dx (mm)
dy (mm)
Dp(mm)
HB
1
4.598
4.39
4.494
179
2
4.656
4.468
4.562
174
3
4.696
4.495
4.5955
171 HB=
Ensaye de dureza Brinell en la probeta 3B T=23.7° P=3,000 29 420 %
37%
174.666667
20
Tabla 4.8 Ensaye de dureza en la probeta 3B. Prueba No.
dx (mm)
dy (mm)
Dp(mm)
HB
1
4.083
3.981
4.032
225
2
4.173
3.980
4.0765
221
3
4.177
4.030
4.0135
217 HB=
221
49
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
4.3.1 Influencia I del d carbono equivalentee y la morfoología sobre la dureza Brinell. B En la figura f 4.6 see puede obseervar la influuencia del CE E y de la moorfología graafítica sobree la durezaa Brinell. 230 22 25 22 21 21 17
220
Dureza (HB)
210 200 190
Disco No o.1 Disco No o. 2
180
17 79 17 74
Disco No o. 3
170 160 154 150 4.36
4.3 38
4.4
4.42
44 4.4
4.46
4.48
4.5 5
4.52
CE ((%) Figura 4.6 R Relación carbo ono equivale ente y dureza Brinell.
f 4.6 noos muestra la l relación del d carbono equivalentee y morfologgía La graafica de la figura grafítica sobre la dureza Brinnell. Podemoos observar que la durezza disminuyye conforme el carbonno equivalen nte aumenta. Esto se deebe a que enn cada caso las cantidaddes de grafito, perlitaa y ferrita son n distintas essto se observva en la tablaa 4.9.
Disco
Tipo dee Grafito o
1 2 3
A A A
Tabla 4.9 Comparación de metalo ografías y durreza Brinell d de los tres disscos. Área Tamaño Tamaño Cantidad Cantidad Cantidad promedio dee CE clase µm de Grafito de Perlita de Ferrita Grafito μm²² 2 120 – 160 0.0001907 8.96% 75% 10% 4.497 2 ‐ 3 40 – 140 0.0003114 14.17% 83% 1% 4.399 3 ‐ 4 40 – 80 0.0002543 13.27% 88% 0% 4.369
Dureza Brinell 152.666 174.666 221
50
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
4.4 EN NSAYE DE RESISTEN NCIA A LA A TENSIÓN N.
El enssaye de resistencia a la teensión es unno de los enssayos más im mportantes que q se efectúúan en un material parra discos de freno ya quee estos son sometidos a esfuerzos e dee compresiónn y de traccción, la últiima es la fueerza con la que q interactúúan el disco y la pastillaa de frenaje, la cual enn una frenad da con el peddal hasta el fondo f llegann a ser de 10 a 20 MPa. Los L diagram mas esfuerrzo-deformacción de las figuras f 4.7, 4.8 4 y 4.9 inddican los ressultados de los l ensayos de tensiónn efectuadoss.
Figura 4.7 Diaggrama esfuerrzo‐deformacción de las probetas 1C.
Los reesultados obttenidos del ensaye e de ressistencia a laa tensión de la probeta 1C es graficaada en la figura f 4.7 donde d se obsserva el valoor de resisteencia máxim ma alcanzadaa de la probeeta 177.2332 MPa.
51
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
Figura 4.8 Diaggrama esfuerrzo‐deformacción de las probetas 2C.
En el diagrama esfuerzo-defo e ormación coorrespondiennte a las proobetas 2C (F Figura 4.8) se observvan las reesistencias máximas alcanzadas, 208.88 MPa y 2210.466 MPa M respecctivamente.
52
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
En el diagrama essfuerzo-defoormación de las probetas 3C (Figura 4.9) se puueden observvar las ressistencias a la tensión máximas m enn las probetaas ensayadass cuyos valoores obteniddos son: 298.542MPa y 316.66MP Pa respectivaamente.
Figura 4.9 Diaggrama esfuerrzo‐deformacción de las probetas 3C.
53
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
Resistencia maxima a la tensión (MPa)
4.4.1 Influencia I del d carbono equivalentee y la morfoología grafíttica sobre laa resistenciaa a la tenssión.
350 321.64 300
298.538 8
250 Diisco No.1
210.466 208.88
200
Diisco No. 2 177.232
Diisco No. 3
150
100 4.35 5
4.4 4
4.4 45
4.5
4.55
CE ((%)
Figura 4.10 Relacción carbono equivalente y resistencia a la tensión..
Al com mparar en laa figura 4.100 el carbono equivalente vs la resisteencia a la tennsión se pueede apreciar el increm mento de la reesistencia a la tensión coonforme dissminuye el CE C en el hierrro así mismo pueden n apreciarse las caracteríísticas morfoológicas de cada c una de las aleacionnes de hierrro. Así mism mo en la figgura 4.10 se puede p observvar que las probetas p del disco No. 3 se obtuvoo la mayor resistencia a la tensiónn generada, esto es porrque la morrfología de las l hojuellas de grafitto de tipo A, A un tamañoo clase 3 y 4, y un conntenido de ferrita f del 0 % generaan una mayo or resistenciaa a la tensiónn esto tambiéén se puede observar en la figura 4.99.
54
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
4.5 EN NSAYE DE RESISTEN NCIA AL DESGASTE. D .
El enssaye de resisttencia al dessgaste se efecctuó de acueerdo a la norrma ASTM G 65. En el ensaye e de deesgaste por abrasión a secca se obtuvieeron los siguuientes resulttados descrittos en la Tabla T 4.10 de la pérdida de masa en la probeta 1D. Tabla 4 4.10 Perdidass de masa en n la probeta 1 1D. Disttancia recorriida (m)
Masa (g)
Masa perdida (g)
0
134.4530
0
500
134.1380
0 0.3150
1000
133.7543
0 0.3837
1500
133.5026
0 0.2517
2000
133.2182
0 0.2844
2500
132.9229
0 0.2953
3000
132.6390
0 0.2839
MPT=
1 1.8140
Figura 4.11 Perdidaas de masa en n la probeta 1 1D.
55
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
Por loo tanto se ob btiene la dennsidad de la aleación la cual es con esste dato y tomando la masa total perdida deel ensaye see obtiene el volumen total perdido de acuerddo a norma el e cual tiene un valor de:
En el ensaye e de deesgaste por abrasión a secca se obtuvieeron los siguuientes resulttados descrittos en la Tabla T 4.11 de la pérdida de masa en la probeta 2D. Tabla 4 4.11 Perdidass de masa en n la probeta 2 2D. Disttancia recorriida (m)
Masa (g)
Masa perdida (g)
0
127.7756
0
500
127.4956
0 0.2800
1000
127.2443
0 0.2513
1500
127.0330
0 0.2113
2000
126.8026
0 0.2304
2500
126.6012
0 0.2014
3000
126.3942
0 0.2070
MPT=
1 1.3814
Figura 4.12 Perdidaas de masa en n la probeta 2 2D.
56
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
Por loo tanto se ob btiene la dennsidad de la aleación la cual es con esste dato y tomando la masa total perdida deel ensaye see obtiene el volumen total perdido de acuerddo a norma el e cual tiene un valor de:
En el ensaye e de deesgaste por abrasión a secca se obtuvieeron los siguuientes resulttados descrittos en la Tabla T 4.12 de la pérdida de masa en la probeta 3D. Tabla 4 4.12 Perdidass de masa en n la probeta 3 3D. Disttancia recorriida (m)
Masa (g)
Masa perdida (g)
0
128.8825
0
500
128.6582
0 0.2243
1000
128.4198
0 0.2384
1500
128.1970
0 0.2228
2000
127.9874
0 0.2096
2500
127.7422
0 0.2452
3000
127.5459
0 0.1963
MPT=
1 1.3366
Figura 4.13 Perdidaas de masa en n la probeta 3 3D.
57
INSTITUTO O POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE E E INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PRO OFESIONAL AZCAPOTZ ZALCO
Por loo tanto se ob btiene la dennsidad de la aleación la cual es con esste dato y tomando la masa total perdida deel ensaye see obtiene el volumen total perdido de acuerddo a norma el e cual tiene un valor de:
4.5.1 Influencia I de d la morfollogía grafíticca sobre la resistencia al desgaste.. En la Figura 4.14 4 se puede observar o la influencia quue presenta la morfologgía grafítica en funcióón con el dessgaste, sobree los ensayoss en el hierroo.
F Figura 4.14 In nfluencia de laa microestrucctura en relación al desgaaste por abrassión seca.
En el ensayo e de reesistencia al desgaste lass probetas 2D D y 3D generaron resulttados similarres y los más satisfa factorios, tenniendo un desgaste d dee 184.9709 mm3 y 178.6325 mm m3 respecctivamente esto es debiddo a que las hojuelas h de grafito actúaan como lubbricante proppio del maaterial y eviitan el desgaaste excesivvo por partícculas friccionnantes, es por p esto que el débil contenido c dee hojuelas dee grafito provvoco el desggaste excesivvo en la probbeta 1D.
58
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CONCLUSIONES Del análisis de resultados se obtuvieron las siguientes conclusiones: Análisis químico y metalográfico. Se determino que los contenidos de carbono equivalente en cada una de las muestras analizadas fueron de 4.497%, 4.399% y 4.369% respectivamente en los discos 1, 2 y 3, obteniendo una morfología y distribución de las hojuelas de grafito distinta en cada uno de los discos de freno las cuales influyen en las propiedades mecánicas del material obteniendo mayor resistencia a la tensión, resistencia al desgaste y dureza en el disco 3. De los análisis metalográficos efectuados en cada uno de los discos se determino que las propiedades mecánicas del disco 3 son las máximas obtenidas en comparación con los demás discos de freno, esto es debido a que el disco 3 contiene hojuelas de grafito del tipo A, con un tamaño clase 3 a 4 y una longitud de hojuela de 40 a 80 μm, una área promedio de grafito del 0.0002543μm2, con una cantidad de grafito del 13.265% y un 85% de la fase perlítica. Al comparar entre si los resultados obtenidos del análisis metalográfico de los discos de freno, se determina que las hojuelas son de tamaños clase de 2 a 4 y se observa que existen diferencias notables entre la longitud de las hojuelas, el área promedio del grafito, cantidad de grafito, perlita y ferrita. Se determino que conforme se incrementa el contenido de silicio, disminuye el área de campo de la austenita, también se reduce la transformación eutectoide, ampliando el intervalo de las líneas estable y metaestable del sistema Fe-C-Si. El silicio es un grafitizante y si no está contrabalanceado por los elementos de promoción de carburos, favorece la solidificación de acuerdo con el sistema estable Fe-C., además de que el silicio es un promotor de la fase ferritica, conforme aumenta el contenido de silicio aumenta el contenido de ferrita, fase indeseable para este tipo de autopartes, la cual nos permite un máximo de 2%.
59
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Dureza Brinell. Al realizar el ensaye de dureza en cada uno de los discos estudiados se determino que la dureza disminuye en función del incremento de longitud y decremento del grosor de las hojuelas de grafito obtenidas en los análisis metalográficos, obteniendo en el disco 3 una dureza Brinell de 221 la cual es la máxima obtenida y optima para los requerimientos de este tipo de autopartes.
Resistencia a la tensión. El resultado máximo de resistencia a la tensión obtenido de las probetas del disco 1 es 117.232MPa, del disco 2 es 210.466 y del disco 3 es 316.66MPa, como puede notarse los mejores resultados de los tres discos fueron obtenidos del disco No. 3, esto es por, el CE el cual es el menor de los tres discos, si disminuye, la resistencia a la tensión aumenta, y unas hojuelas de grafito de tipo A, tamaño clase 3 y 4, y una longitud de hojuelas de 80 a 40 μm. Desgaste. En el ensayo de resistencia al desgaste los discos 2 y 3 generaron resultados similares, teniendo ambos un desgaste de 184.9709 mm3, mientras que para el disco 1 fue de 178.6325 mm3 respectivamente. Esto es debido a que las hojuelas de grafito actúan como lubricante propio del material ayudando a reducir el desgaste por fricción durante el trabajo del disco al momento de ser frenado. De manera general se concluye que la morfología de las hojuelas de grafito influyen considerablemente en propiedades mecánicas para este tipo de autopartes, ya que el análisis químico no muestra una diferencia elevada, sin embargo obteniendo las metalografías se observa el cambio en la morfología de las hojuelas de grafito entre cada uno de los tres discos.
60
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.- Manual técnico de la pastilla de freno, Roadhause, 2008, Capitulo 5. 2.- Degarmo, Black, Kohser. Materials and Processes in Manufacturing; Nineth Edition USA (2003), Edit. WILEY, pp 174-188. 3.- Pat L. Mangonon, Ciencia de Materiales Selección y Diseño. Prentice, México 2001, pp 429-457. 4.- Metallography, Structures and Phase Diagrams, Metals Handbook., 275-278. 5.- Krause, D.E., “Gray Iron-A Unique Engineering Material” Gray, Ductile, and Malleable Iron Castings-Current Capabilities, ASTM STP 455, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1969, pp. 3-28 6.- Norma ASTM A 247 Standard Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings. 7.- Bates, C. “Efect of alloy elements on the strenght and microstructure of gray cast iorn”, AFS Transactions (1984), V. 92, p 923. 8.- Sydney H. Avner, Introducción a la Metalurgia Física, 2° Ed. Edit. Mc Graw Hill, pp 433-446. 9.- ASTM E 10-1984 Standard test method for Brinell hardness of metalic materials, NMX008-1993 Sistema general de Unidades de medida. 10.- ASTM E 8M – 04 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. 11.- ASTM G 65 – 00 Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus. 12.- CAST IRON: Physical and enginering properties, Angus, Harold T., Second Edition, 112, 1976, p 112.
61
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
62
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
63
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
64
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
65
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
66
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
67
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
68
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
69
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
70
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
71
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
72
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
73
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
74
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
75
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
76
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
77
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
78
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
79
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
80
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
81
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
82
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
83
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
84