Informe de laboratorio

Escuela Superior Politécnica de Chimborazo

2011 Tribología

Fernando Jiménez ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO 01/11/2011

Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento

Contenido Informe de laboratorio ........................................................................................................... 3 Tema: .................................................................................................................................. 3 Marco Teórico:.................................................................................................................... 3 Objetivos ............................................................................................................................. 8 Objetivo General:............................................................................................................ 8 Objetivo Específico: ........................................................................................................ 8 Desarrollo de la practica ..................................................................................................... 8 Materiales e Instrumentos: ............................................................................................ 8 Métodos:......................................................................................................................... 8 Esquema: ........................................................................................................................ 9 Conclusiones: .................................................................................................................... 14 Recomendaciones:............................................................................................................ 14 Link – Bibliográfico: ........................................................................................................... 14

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Informe de laboratorio Tema: “ANÁLISIS MICRO ESTRUCTURAL DE MATERIALES ANTI FRICCIÓN.”

Marco Teórico: ALEACIONES BABBITT Las aleaciones babbitt son utilizadas específicamente para la fabricación de cojinetes de fricción puesto que presentan cualidades como tenacidad y ductibilidad para resistir choques mecánicos y al mismo tiempo son duras y resistentes a la abrasión de manera que resisten al desgaste y operan con el mínimo valor de pérdida de fricción. Estas características se obtienen debido a la presencia de partículas duras incrustadas en una matriz más blanda. La matriz blanda sede a la presión acomodando cualquier ligero desalineamiento de un eje, al mismo tiempo tiende a desgastarse descubriendo a las partículas duras que resaltan en relieve, produciendo canales diminutos que ayudan a la lubricación, reduciendo así las pérdidas por fricción .

DESIGNACIÓN Según la especificación ASTM B23, la designación para estas aleaciones es por grados ASTM, donde los Grados 1, 2 y 3 corresponden a las aleaciones babbitt al estaño y los Grados 7, 8 y 15, a las aleaciones babbitt al plomo, siendo éstas, mucho más económicas que las anteriores, pero menos resistentes. ASTM GRADO 1 COMPOSICIÓN [%] Sn Sb Pb Cu 91 4.5 4.5

Densidad [kg/m^3]

Matriz Blanda

7200

Estaño

Resistencia de Compresión 89 48

PROPIEDADES GENERALES Inclusiones duras Punto de fusión [ºC] Cu6Sn5 -

PROPIEDADES MECÁNICAS [MPa] Resistencia de Dureza Brinell cedencia 30 17 19 8.0

Coeficiente de rozamiento con lubricación -

Condición a 20 ºC a 100 ºC

APLICACIONES Se utiliza en máquinas de combustión interna, principalmente para chumaceras de cabeza de biela. 3

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Sn 89

Densidad [kg/m^3] 7300

ASTM GRADO 2 COMPOSICIÓN [%] Sb Pb 7.5 -

Cu 3.5

PROPIEDADES GENERALES Matriz Incluciones duras Punto de Blanda fusión [ºC] Estaño Cu3Sn 342 PROPIEDADES MECÁNICAS [MPa] Resistencia de Dureza Brinell cedencia 42 24.5 21 12


Coeficiente de rozamiento con lubricación -


APLICACIONES Por ser una aleación dura se usa principalmente en chumaceras para motores de avión y automóvil y en trabajo general para servicio pesado.

Sn 84


ASTM GRADO 3 COMPOSICIÓN [%] Sb Pb 8.0 -

Cu 8.0

PROPIEDADES GENERALES Matriz Incluciones duras Punto de Blanda fusión [ºC] Estaño SnSb,Cu3Sn 380 PROPIEDADES MECÁNICAS [MPa] Resistencia de Dureza Brinell cedencia 46 27 22 14.5


Coeficiente de rozamiento con lubricación 0.005


APLICACIONES Se utiliza para trabajos generales, donde se requiera servicio pesado.

Sn 10

ASTM GRADO 7 COMPOSICIÓN [%] Sb Pb 15 75

Cu -

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Densidad [kg/m^3] 9500

PROPIEDADES GENERALES Matriz Incluciones duras Punto de Blanda fusión [ºC] Plomo SnSb 400 PROPIEDADES MECÁNICAS [MPa] Resistencia de Dureza Brinell cedencia 25 22.5 11 10.5




APLICACIONES Se utiliza a temperaturas elevadas para presiones y velocidades moderadas como en bombas. ASTM GRADO 8 COMPOSICIÓN [%] Sb Pb 15 80

Sn 5



Cu -

PROPIEDADES GENERALES Matriz Inclusiones duras Punto de Blanda fusión [ºC] Plomo SnSb 460 PROPIEDADES MECÁNICAS [MPa] Resistencia de Dureza Brinell cedencia 23 20 12 9.5



APLICACIONES Se utiliza a temperaturas elevadas para presiones y velocidades Medias. MATERIALES PARA COJINETES DE FRICCIÓN Bocines Chumaceras en general Chumaceras de cabeza de biela Chumaceras de trabajo general para servicio pesado Chumaceras para motores de avión Chumaceras que trabajan a temperaturas elevadas y a presiones y velocidades moderadas

Bronce SAE 40

Bronce ASTM C 38500 Bronce SAE 62 Bronce SAE 64 Bronce SAE 65 Babbitt ASTM Grado 1 Babbitt ASTM Grado 2 Babbitt ASTM Grado 3 Babbitt ASTM Grado 2 Babbitt ASTM Grado 7 5

Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Chumaceras que trabajan a temperaturas elevadas y a presiones y velocidades medias Cojinetes poco cargados y con lubricación forzada Cojinetes que trabajan con bajas velocidades y presiones Cojinetes de máquinas de combustión interna Cojinetes para trabajar en contacto con aceros bonificados Cojinetes para sistemas de lubricación normal Manguitos de Bombas

Babbitt ASTM Grado 8 Bronce ASTM C 38500 Bronce ASTM B 148 Fundición ASTM 100-70-03 Fundición ASTM 65-45-12 Bronce ASTM B 148 Babbitt ASTM Grado 1 Bronce SAE 64 Bronce SAE 65 Bronce SAE 40 Bronce SAE 40

Son aleaciones ternarias de plomo, antimonio y estaño en las que se aprovecha el bajo coeficiente de fricción del plomo, si es con base plomo es: 75Sb, 10%Sn. De acuerdo a su composición se pueden clasificar de la siguiente manera: 1. Aleaciones antifricción amarillas o rojas para cojinetes. Contienen casi siempre 80% y hasta 90% de cobre y además hasta 10 –20% de estaño y a menudo zinc hasta un 5%. Estos materiales deben clasificarse entre los bronces como se desprende de su composición, su textura está formada por cristales duros y uniformes. Estas aleaciones poseen gran capacidad para soportar altos esfuerzos a compresión. 2. Aleaciones antifricción blancas. Se distinguen esencialmente de las anteriores en que su textura está formada por una masa fundamental blanda, en el cual se encuentran incrustados cristales duros. Los ejes no necesitan estar ajustados con tanta exactitud como los cojinetes de aleación amarilla, pues la masa fundamental blanda se desgasta con la marcha de modo que los cristales duros dispuestos por grupos son los que al fin y al cabo sostienen al eje. Si la presión del cojinete es mayor, los cristales duros se aplastan y la superficie de apoyo se aumenta, con lo que la presión unitaria se hace menor. Además de su bajo punto de fusión tiene la ventaja de que en caso de calentarse el cojinete no hay desgaste sino que el metal se funde. 3. Aleaciones antifricción a base de Plomo y Estaño. Metal BABBIT es un término genérico para designar aleaciones suaves con base de estaño y plomo, que se funden como superficies de cojinete o apoyo en tapas o respaldos de acero, bronce o hierro fundido. Los Babbit tienen excelente capacidad embebedora (o sea de encerrar o enclavar dentro de sí las partículas extrañas) y conformabilidad (capacidad para deformación plástica y compensar las irregularidades en el cojinete). 4. Aleaciones antifricción a base de aluminio. Se utilizan para soportar cargas muy pesadas, pero no han sustituido al Babbit en equipo que trabaja con carga constante unidireccional. Los dos primeros tipos de aleación (Estaño, Níquel) pueden usarse como cojinetes fundidos integrales (chumaceras) o con respaldo de acero, el tercer tipo (Cobre) se usa con respaldo de acero como soporte. 5. Aleaciones antifricción a base de zinc.

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Han sido muy empleadas como aleaciones para cojinetes, en particular como metales substitutivos durante la guerra; en general son aleaciones duras, es decir, más bien parecidas a las amarillas, pero en calidad son inferiores a estas. 6. Aleaciones antifricción a base de cadmio. Son de Cadmio - Níquel (con contenido de alrededor de 1.5% de níquel y de 0.4 a 0.75% de cobre) y de cadmio - plata (con contenido de 0.5 a 2% de plata). Estas aleaciones no tienen tanta confortabilidad como las aleaciones de metal blanco y son más duras que el Babbit. Aunque poseen mayor resistencia a la fatiga (en particular a temperaturas elevadas), que el Babbit, son más susceptibles a la corrosión en lubricante ácidos. 7. Aleaciones antifricción a base de plata. Los cojinetes con plata han tenido mucho éxito en aplicaciones de trabajo pesado en motores grandes de avión y diesel. Para motores de pistones, los cojinetes con plata normalmente consisten en lata electropositiva sobre un respaldo de acero y con un recubrimiento de plomo de 0.001 a 0.005%. Se utiliza una capa muy delgada de indio encima del recubrimiento del plomo, para aumentar la resistencia a la corrosión del material. 8. Aleaciones antifricción a base de cobre. Tienen una amplia gama de propiedades y se presentan para muchas aplicaciones. Si se utilizan por sí solas o en combinación con el acero, Babbit o grafito, los bronces y los cobre plomos se funden sobre tiras de acero para respaldo en capas muy delgadas (0.02 plg.) para constituir la superficie del cojinete. 9. Cojinetes de metales porosos. Se emplean en aquellos casos en que los cojines corrientes no se usan debido a la inaccesibilidad para la lubricación. Se obtienen a partir de polvos de metales que se prensan en matrices y que después de ser sometidos a compresión se sinterizaron a elevadas temperaturas en atmósferas reductoras. Una vez sinterizados los cojinetes se sumergen en aceite y después de impregnados se acaban de trabajar en un troquel con tolerancias precisas. Los cojinetes porosos son fuertes y encierran espacios huecos en los que se introduce el lubricante. Para los cojinetes porosos lubricados con aceite se recomiendan temperaturas máximas de trabajo de 65ºC. 10. Fundición de hierro. Se emplean como materiales antifricción cuando las exigencias de trabajo son reducidas. Se ha recomendado que el juego existente entre el cojinete de fundición de Fe y el eje sea mayor de lo normal, con el objeto de que las partículas duras que puedan desprenderse de la fundición no llenen el espacio del juego.

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Objetivos Objetivo General: Analizar la microestructura de los metales anti fricción.

Objetivo Específico:  Análisis micro estructural del plomo  Análisis micro estructural del estaño  Análisis de la aleación plomo –estaño en la base de reconstrucción de los cojinetes.  Análisis micro estructural delbronce fosfórico.

Desarrollo de la práctica Materiales e Instrumentos: Materiales:  Lijas 320-400-600-1200.  Probetas de plomo, estaño, plomo-estaño, bronce fosfórico.  Reactivo para plomo y aleaciones: 1.5 ml Ac. Acético, 10ml. HNO 3, 40 ml H2O Destilada.  Alúmina: es el óxido de aluminio (Al 2O3)  Nital2: 5% de Ácido Nítrico en Alcohol Metílico. Instrumentos:  Porta lijas.  Lijadora rotatoria de pulido y ataque de la probeta.  Pipeta.  Microscopio electrónico equipado con equipos audiovisuales.

Métodos:  Comenzamos puliendo las probetas elementos de nuestro estudio, este se hace con el esmeril 

 



o la lima con el fin de dejar la superficie con la que vamos a trabajar uniforme. Después procedemos a un pulido fino este se hace con lijas colocadas de forma ordenada en el portaligas, para ello se debe realizar mediante un movimiento continuo y repetitivo a lo largo de la disposición de las lijas y ayudadas por un chorro continuo de agua el mismo que permite un mejor pulido y la remoción de virutas desprendidas una vez que las irregularidades has sido eliminadas se procede a pulir con la lija más fina según el orden hasta llegar a pulir con la lija 1200. Para finalizar el pulido pasamos a la lijadora rotativa y con alúmina para lograr obtener una superficie como espejo. Una vez pulida la superficie se procede al ataque químico esto se logra mediante la aplicación de reactivos, estos son ácidos los mismos que con ayuda de un microscopio nos permite observar la microestructura que compone en material estudiado, hay que tener mucha precaución al con el tiempo de exposición del reactivo al material estudiado ya que la falta o su exceso de tiempo va a generar una identificación incorrecta. Después procederemos a observar la microestructura del material en el monitor y procedemos a tomar las fotos correspondientes. 8

Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Esquema: Foto 1. Pulido en el porta lijas

Foto 2.Pulido en la lija rotativa con alúmina.

Foto 3. Ataque Químico.

Foto 4. Microscopio electrónico.

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Todas las imágenes tienen una ampliación de 100X = 375µm Foto 4. Magnolia sin rectificar sin ataque.

Porosidades e irregularidades superficiales

Foto 5. Magnolia sin rectificar con ataque.

Probeta con tiempo excesivo de exposición al reactivo (t = 10s) Foto 6. Magnolia sin rectificar sin ataque.

Su estructura cubica primaria de fase SbSn. y unos cristales primarios pequeños de plomo (negro) en una matriz eutéctica binaria (filigrana)

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Foto 7. Magnolia sin rectificar con ataque.

La microestructura consiste en granos de Dendrita es rica en plomo con una solución solida (obscura) in una matriz seudobinaria eutéctica (filigrama) constituye una matriz de SbSn de fase intermetalica (ligera) y rica en una solución de plomo

Foto 8. V. Plomo ataque 2.5s Interface de metal base.

Las partes de cobre (en la cima y fondo) en una combinación de 50 Pb 50 Sn. La estructura eutéctica es globular a causa de una solidificación rápida

Foto 9. Plomo-Estaño con ataque 5s.

Las partes de cobre (en la cima y fondo) en una combinación de 50 Pb 50 Sn. La estructura eutéctica es globular a causa de una solidificación rápida

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Foto 10. Estaño con ataque 8s.

Foto 11. Estaño con ataque 8s.

Se trata de una matriz solida rica en una solución de estaño solida

Foto 12. Bronce barra hexagonal. ataque de 6 min.

Foto 13. Bronce barra hexagonal. ataque de 6 min.

Finas dendritas de cobre en solución sólida y partículas de plomo

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Foto 14. Bronce fosfórico. ataque de 15 min.

Foto 15. Bronce fosfórico. ataque de 15 min.

Estructura de granos cobre, pero con mayor cantidad de plomo intergranular

Diagrama Binario: Plomo – Estaño Tipo 2.

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Tribología Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Conclusiones: -

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Micro estructural del plomo, fue encontrada con dificultad ya que en el primer intento atacamos con reactivo base plomo a 10s y la probeta se requemo pero después a 2.5 s la estructura fue óptima. Micro estructural del estaño, está la atacamos con reactivo base plomo a 8s y observamos la microestructura. Aleación plomo –estaño, se requemo con el reactivo base plomo a 10s después en 5s la microestructura mostrada fue la real. Análisis micro estructural del bronce, para este material el ataque fue de Nital 2, para el primero de 6min y para el siguiente de 15min, encontrando la estructura característica del bronce.

Recomendaciones: -

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Pulir las superficies adecuadamente evitando que durante su proceso puedan quedar líneas que sobre la superficie y de la misma. Para realizar el ataque químico utilizar el reactivo correcto y durante el tiempo adecuado para evitar que las probetas lleguen a quemarse o que su microestructura no pueda ser tan visible como se esperaba. Remover el reactivo una vez cumplido su tiempo y secarlo de una manera adecuada.

Link – Bibliográfico: http://www.mitecnologico.com/im/Main/AleacionesAntifriccion METALS HANDBOOK vol. 7, 8th edition

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Informe de laboratorio

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