Post on 19-Oct-2015
Trabajo de Tecnologa de
Materiales
Fabricacin de un pistn
Pablo Guarner Escribano
Sergio Ferrer Mileo
Jess Lpez Jarillo
Joel Martin Enrique
Josep Rovira Valldeperez
Edgar Valverde Estrella
Grupo de prcticas: 17
Mayo de 2013
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
1
ndice
ndice............................................................................................................................................1
Introduccin .................................................................................................................................2
Qu es y qu funcin tiene un pistn? ...................................................................................2
Descripcin general del pistn .....................................................................................................3
Tipos de pistn .........................................................................................................................3
Solicitaciones sobre el pistn .......................................................................................................6
Solicitaciones mecnicas ..........................................................................................................6
Solicitaciones trmicas .............................................................................................................6
Materiales para pistones ..............................................................................................................8
Fabricacin .................................................................................................................................11
Tratamientos superficiales .....................................................................................................12
Tratamientos trmicos en las aleaciones aluminio silicio .......................................................13
Tratamientos trmicos de esferoidizacin del silicio ..............................................................13
Mecanismo de esferoidizacin ...............................................................................................15
Tratamientos trmicos en las fundiciones de hierro ..............................................................20
Control de calidad ......................................................................................................................28
Reciclaje del aluminio.................................................................................................................29
Caso especfico: Pistn de un motor de F1.................................................................................32
Material ..................................................................................................................................32
Fabricacin .............................................................................................................................33
Bibliografa .................................................................................................................................38
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
2
Introduccin
Qu es y qu funcin tiene un pistn?
Se denomina pistn (Figura 1) a uno de los
elementos bsicos del motor de combustin
interna.
Se trata de un mbolo que se ajusta al
interior de las paredes del cilindro mediante aros
flexibles llamados segmentos o anillos. Efecta un
movimiento alternativo, obligando al fluido que
ocupa el cilindro a modificar su presin y volumen,
transformando en movimiento el cambio de
presin y volumen del fluido.
Es una pieza de forma cilndrica; en la parte superior leva unas ranuras donde se alojan
los segmentos y en la central tiene un orificio pasante, que sirve para unirlo a la biela por
medio de un buln.
Su funcin dentro del motor es la de transmitir la fuerza de la combustin al cigeal.
El pistn, al desplazarse, permite la entrada de los gases para la combustin; realiza la
compresin de los mismos y ayuda a la rpida salida de los gases quemados por el escape.
Recibe la energa desarrollada en la combustin y la transmite por medio de la biela al
cigeal. A travs de la articulacin de biela y cigeal, su movimiento alternativo se
transforma en rotativo en este ltimo.
Figura 1
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
3
Descripcin general del pistn
Originalmente los pistones se dividan en dos partes: la cabeza y la falda. No obstante,
debido a las exigencias tanto de reducir el tamao del motor como las emisiones de CO2 , el
incremento de su eficiencia ha conllevado la generacin de altas temperaturas e incrementos
de presin. Por estas razones se han introducido algunas modificaciones y algunos elementos
en la fabricacin del pistn que a continuacin se describen:
Cabeza: es la parte superior del pistn en dnde
ocurre la combustin. Por eso, requiere materiales
resistentes (debe soportar el impacto provocado por la
expansin de los gases) y con alta temperatura de fusin
(la zona de contacto con el gas puede llegar a 220C).
Anillos de compresin: son los encargados de
mantener la presin del cilindro cuando sta aumenta
debido a la explosin de los gases.
Anillo de aceite: su funcin es la de lubricar las
paredes de los pistones y controlar la temperatura
conduciendo el aceite a travs de ellos.
Falda del pistn: se encargan de mantener la
posicin vertical del pistn durante la accin de
movimiento alternativo, que est llevando parte del pistn.
Es por esto que recibe cargas laterales importantes.
Tipos de pistn
- Pistn con tiras o fajas de acero
Se emplean hoy dos clases de mbolos con tiras de acero (mbolos autotrmicos), el
principal como mbolo con vstago sin rebajo, con hendiduras transversales sobre el vstago y
la zona de aros y el otro tambin sin rebajo y sin las hendiduras transversales.
El mbolo con tiras de acero ha reemplazado en la mayora de los casos a su
predecesor, el pistn Nelson con tiras de metal invar. El inventor americano Nelson aprovech
en su mbolo de tiras de invar la prcticamente nula dilatacin trmica de la aleacin de
Figura 2
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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Hierro y Nquel (invar) con 33% y 36 % de contenido de nquel para moderar o reprimir la
dilatacin del vstago en los mbolos de metal ligero.
En los pistones de tiras de acero (tambin invencin de Nelson), por el contrario, se
funden tiras de acero sin alear en la masa de metal ligero producindose con esto una accin
de elemento bimetlico. La dilatacin trmica es guiada por lo tanto preferentemente en la
direccin del eje del buln compensndose esto mediante un mecanizado que d al mbolo
forma ovalada.
Los pistones de tiras de acero se emplean principalmente en motores de cuatro
tiempos de coches de turismos con refrigeracin por agua y por aire, motores para los cuales
se exige un funcionamiento especialmente silencioso.
El mbolo autotrmico de vstago sin rebajo
se desarroll partiendo del pistn autotrmico. Esta
construido segn los mismos principios y presenta las
mismas ventajas. En virtud de ser cerrada la superficie
del vstago obtiene adems una forma de ms elevada
consistencia. Tambin resulta que con l el aceite de
inyeccin que se encuentra en el interior del mbolo
queda separado del exterior sobre la pared del cilindro
sobrante del anillo roscador. Este tipo constructivo se
presta adems para los motores de dos tiempos en los
cuales hay que descubrir lumbreras de gas.
En el mbolo autotrmico de vstago sin rebajo no existen ranuras transversales y por
eso es de forma muy estable y puede emplearse para motores muy fuertemente cargados. No
puede presentarse una elevacin de temperaturas en la zona de los aros por interrupcin del
flujo trmico en las ranuras transversales. Con esto se evita que en ciertas circunstancias se
peguen los aros o se adhiera aceite carbonizado.
- Pistones con superficie del vstago, o cuerpo, ranurada
En los mbolos con la superficie ranurada la dilatacin trmica del cuerpo o vstago
queda equilibrada dndole conformacin elstica. Pero como una ranura longitudinal, conlleva
consigo el peligro de debilitamiento del vstago, se emplea frecuentemente la ranura en T.
Este tipo de ejecucin no se emplea ya en Alemania pero se encuentra todava en los motores
Figura 3, mbolo autotrmico
con vstago sin rebajo
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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de coches de turismo de algunos pases. El pistn con el cuerpo ranurado tiene la desventaja
de que las partes del mismo ranuradas tienen tendencia a deformarse de modo permanente.
Figura 4, pistn con superficie
de cuerpo ranurada
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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Solicitaciones sobre el pistn
En los motores de combustin interna, los pistones tienen que soportar grandes
temperaturas y presiones, dilataciones y, adems a velocidades y aceleraciones muy altas, que
provocan grandes incrementos de energa cintica en los movimientos dentro del ciclo de
trabajo del motor. Para minimizar los efectos de este hecho, se escogen aleaciones con un
peso especfico bajo.
Solicitaciones mecnicas
- Fuerzas mecnicas
La cabeza del mbolo de los motores Otto es comprimida con presiones que van desde
las 30 hasta las 60 atm. Estas nos dan, para un dimetro del pistn de 80 mm, un esfuerzo de
aproximadamente 1500 kp hasta 3000 kp. El vstago del pistn tiene que resistir una presin
lateral de 5 kp/cm2 hasta 8 kp/cm2. Los cubos del perno o buln son solicitados por el buln
con una presin superficial (presin de deslizamiento) de 300 kp/cm2 a 600 kp/cm2.
- Cambio a las fuerzas laterales
El pistn es comprimido de modo alternado contra la pared del cilindro. Esto da origen
a inclinaciones y con ello ruidos. Para aminorar las inclinaciones el juego del mismo dentro del
cilindro deber ser pequeo y la longitud del vstago tan larga como sea posible. Con el mismo
objetivo se dispone tambin algunas veces el buln del pistn de tal modo en ste que su eje
quede desplazado respecto al eje geomtrico de la pieza en unos 0,5 a 1,5 mm (descentrado).
- Rozamiento
El vstago de pistn, las ranuras para los anillos y los cubos para el buln estn
solicitados a friccin. El rozamiento y el desgaste que ello comporta deben ser disminuidos
tanto como sea posible mediante una adecuada eleccin de los materiales, cuidadoso
mecanizado de las superficies de deslizamiento y correcta lubricacin.
Solicitaciones trmicas
Debido a la combustin de la mezcla combustible-aire se producen en la cmara de
combustin temperaturas que oscilan entre los 2000oC y los 2500oC. Una gran parte del calor
de la combustin pasa a travs de la cabeza del pistn de la zona de los aros o segmentos y a
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travs de estos mismos y llega al cilindro que est refrigerado. Tambin el aceite lubricante
sustrae calor. A pesar de todo esto en los pistones de metal ligero la cabeza de la pieza tiene
temperaturas de funcionamiento que llegan de los 250oC a los 350oC y en el vstago hasta los
150oC.
El calentamiento produce una dilatacin del material que puede conducir a que se
agarroten los mbolos. Mediante una adecuada conformacin de los mbolos (por ejemplo
una zona de los aros de forma cnica, una seccin transversa ovalada de los pistones) puede
conseguirse compensar la diferente dilatacin trmica en los distintos sitios del pistn. El
material debe presentar una conductibilidad trmica tan buena como sea posible con objeto
de que el calor sea rpidamente eliminado. Adems de esto el material debe ser resistente al
calor
Las distintas clases de solicitacin a que estn expuestos obligan a que los pistones se
fabriquen con materiales de elevada calidad.
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Materiales para pistones
A un material para pistn se le exige que tenga las siguientes propiedades:
Poca densidad con objeto de que su inercia sea lo ms reducido posible.
Elevada resistencia incluso a altas temperaturas.
Buena conductividad trmica.
Dilatacin trmica pequea.
Poca resistencia de rozamiento (buenas propiedades de rozamiento)
Gran resistencia frente al desgaste
Adems de esto los materiales para mbolos tienen que poderse colar y prensar bien as
como ser fcilmente trabajables mediante arranque de viruta. A continuacin se muestra una
tabla con los principales materiales que se utilizan en la actualidad:
Tabla 1 Materiales para pistones
Grupo de aleacin Densidad (kg/dm3) Observacin
Aleaciones de
aluminio y
silicio
Al Si 12
Cu Ni 2,7
Cuanto mayor sea el
contenido de Si,
tanto menor es la
dilatacin trmica y
tanto menor el
desgaste
Fundicin en coquilla
o prensada,
tratamiento trmico
Al Si 18
Cu Ni 2,68
Al Si 25
Cu Ni
2,65
Fundicin de
hierro con
grafito en
laminillas
(fundicin gris)
Sin alear, elevado valor 7,3 Reducida dilatacin
trmica, fundicin en
arena. En caso de
aleacin har falta
tratamiento trmico.
Aleada, mejorada 7,3
Los mbolos de hierro fundido, y a pesar de sus buenas propiedades de deslizamiento,
se usan hoy en da muy raramente, por ejemplo en compresores de pistn, en motores de
tractor, motores fijos. Y es que este material tiene una conductividad trmica muy reducida. A
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causa de su gran masa el nmero de revoluciones hay que mantenerlo bajo, lo cual se traduce
en reducida potencia del motor. Hoy se emplean, a causa de su muy alta conductibilidad
trmica, casi exclusivamente pistones de aleaciones de aluminio. La mayora de los pistones
para motores de coches de serie se fabrican por colada en coquilla. Los pistones que han de
soportar presiones y temperaturas especialmente elevadas, por ejemplo para el caso de
motores de coches de carreras, de coches deportivos y de motores Diesel para coches de
turismo, se hacen por prensado.
Para el caso de muy elevadas solicitaciones trmicas, como es el caso de los pistones
para coches de carreras y deportivos, se emplean tambin materiales sinterizados de aluminio
(Sintal), que se caracterizan por su gran resistencia mecnica y trmica.
Un ejemplo de aleacin de aluminio utilizada en los pistones es AA203.0. Esta aleacin
contiene:
Elemento Porcentaje en masa
Aluminio 89,6-93,4
Antimonio 0,2-0,3
Cobalto 0,2-0,3
Cobre 4,5-5,5
Hierro
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- Magnesio (Mg): tiene una gran resistencia tras el conformado en fro.
- Manganeso (Mn): incrementa las propiedades mecnicas y reduce la calidad de
embuticin.
- Silicio (Si): combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecnica.
- Titanio (Ti): aumenta la resistencia mecnica.
- Zinc (Zn): aumenta la resistencia a la corrosin.
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Fabricacin
En este apartado se comentarn los diferentes procesos de fabricacin para la
obtencin de la pieza en cuestin que estamos estudiando.
Fundicin: los pistones fundidos son formados vertiendo metal fundido en un molde
bajo la gravedad normal. Bajo un microscopio todas las partculas se podra decir que
descansan una al lado de la otra. Si se deseara un nivel de dureza ms elevado el metal
fundido se inyectara a presin sobre el molde, con lo cual las molculas estn mucho ms
comprimidas, lo cual aporta un nivel ms elevado de dureza.
Forja: los pistones forjados son fabricados a partir de barras del metal en cuestin las
cuales son cortadas en tamaos especficos para su posterior prensado con la forma requerida.
Los detalles de la pieza se llevan a cabo a partir de un proceso de control numrico:
- Mecanizado del alojamiento del perno o buln de pistn: como este perno estar
girando cuando el motor est en funcionamiento debe quedar una superficie de buena
calidad y poca rugosidad. Se realizan dos orificios ubicados en paredes opuestas del
pistn. Estos agujeros deben ser concntricos (tener la misma lnea de eje) y esta lnea
debe ser paralela a la lnea de eje del mun del cigeal. Para que este perno no se
salga y raye el cilindro se colocan seguros seeger al final de los alojamientos realizados,
entonces se realizan las cavidades para poner los seguros.
- Mecanizado del alojamiento de los aros: se debe realizar la cavidad para poder poner
los aros. Para montar el conjunto pistn aros dentro del cilindro los aros se
comprimen, por lo tanto la profundidad del alojamiento de los aros debe ser tal que
todo el aro quede oculto en el pistn. En el alojamiento del aro se realiza un orificio
pasante para que el aceite que se saca del cilindro vaya hacia adentro del pistn y
luego se lo direcciona hacia el perno, para poder mantenerlo lubricado.
- Mecanizado de la cabeza del pistn: de acuerdo al diseo del motor la cabeza puede
no ser plana. Puede tener vaciados para mejorar la homogeneidad de la mezcla en la
admisin, vaciados para mejorar la combustin y en los motores donde la compresin
es alta se realizan vaciados para que al abrir las vlvulas no golpeen al pistn. Se debe
eliminar cualquier canto vivo.
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- Mecanizado exterior: al hacer un corte al pistn que pase por la lnea de eje del perno
y al hacer otro corte que sea perpendicular a la lnea del perno puede verse que el
pistn no tiene la misma cantidad de material en todas sus paredes, es decir, que por
donde pasa el eje la pared del pistn tiene ms cantidad de material. Por lo tanto al
aumentar la temperatura el pistn dilata de forma desigual quedando con una forma
ovalada lo cual puede causar fugas o hacer que el pistn se agarre en el cilindro.
Para que no pase esto se realiza un mecanizado exterior el cual le da una forma
ovalada para que cuando dilate quede de forma cilndrica. Este mecanizado es de solo
algunas milsimas en las paredes por donde no pasa el perno y por lo tanto es
imperceptible a simple vista.
Tratamientos superficiales
Con el objetivo de proteger las superficies de deslizamiento del mbolo stas se
recubren mediante unas capas protectoras cuyo propsito es disminuir los tiempos de
adaptacin. Con esto se obtienen simultneamente propiedades para funcionamiento en
condiciones crticas para el caso de perturbaciones pasajeras en la lubricacin.
- Procedimiento Stannal: los pistones se sumergen en un bao de estannato (una sal de
estao) con lo cual se deposita el estao sobre el aluminio. A pesar del pequeo
espesor se presenta una buena accin de deslizamiento.
- Procedimiento Plumbal: proceso similar al Stannal, la diferencia radica en el bao en
que se introduce la pieza. En este caso el bao en cuestin aporta una capa de plomo,
siendo la ventaja principal el punto de fusin del plomo (327 C) frente al estao
(232C).
- Procedimiento Grafal: se pulveriza sobre la pieza una capa de grafito de 0,02 mm a
0,04 mm de espesor que suministra una accin protectora extraordinaria.
- Oxidacin electroltica (nodo): se lleva a cabo sobre el cuerpo o vstago de los
mbolos y suministra una elevada resistencia a la abrasin, pero en cambio no da
ninguna propiedad que favorezca el funcionamiento en condiciones crticas. Es por
este motivo por el cual apenas se emplea este procedimiento (En cambio, los pistones
sometidos a este tratamiento se han acreditado magnficamente en lo que respecta a
resistir bien las elevadas solicitaciones de carcter trmico).
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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Tratamientos trmicos en las aleaciones aluminio silicio
Un tratamiento trmico, en sentido amplio de la palabra, se refiere al calentamiento y
enfriamiento de los metales en estado slido, para modificar sus propiedades mecnicas, su
estructura metalogrfica o eliminar tensiones residuales. Cuando se aplica a aleaciones de
aluminio, el trmino tratamiento trmico se refiere
usualmente a las operaciones empleadas para
incrementar la resistencia y la dureza de las aleaciones de
forja o de moldeo. La solubilizacin de las segundas fases,
capaces de precipitar durante el envejecimiento, no es el
nico cambio microestructural que tiene lugar en las
aleaciones de fundicin al ser tratadas trmicamente.
Diferentes trabajos indican que silicio eutctico puede
sufrir modificaciones durante el tratamiento trmico. La
morfologa de los compuestos intermetlicos y del silicio
eutctico cambia cuando la aleacin se trata a altas
temperaturas durante largos periodos de tiempo, por una serie de mecanismos, siendo el ms
aceptado el de fragmentacin y redondeo de la agujas de silicio.
Tratamientos trmicos de esferoidizacin del silicio
Los tratamientos de esferoidizacin permiten variar la forma y la distribucin de los
cristales de silicio eutctico. La esferoidizacin se produce al calentar las muestras a
temperaturas altas, prximas a la temperatura eutctica, [500-550 C], durante tiempos
prolongados. La evolucin del silicio depende de la estructura de partida y de la temperatura
de tratamiento elegida. As pues, el tratamiento de esferoidizacin puede potenciar las
caractersticas mecnicas de la aleacin aumentando la plasticidad (la tenacidad) y el
alargamiento, sin prdida de la resistencia mecnica.
Como consecuencia del tratamiento de esferoidizacin, las partculas de silicio
experimentan una evolucin en la que cabe distinguir tres etapas:
Figura 5
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1. Etapa de subdivisin o escalonamiento
Este primer estadio de la evolucin de los cristales de silicio aparece en aquellos puntos
ms activos de la superficie del cristal, con mayor energa libre, llamados escalones de
esferoidizacin. Los contornos o aristas vivas de los cristales aparecen redondeados despus
de la subdivisin, debido a la redisolucin parcial del silicio eutctico; su divisin produce una
reduccin de su longitud. Por el hecho de producirse la subdivisin de las partculas de silicio,
su nmero aumenta y su morfologa tiende hacia la forma ideal que es la esfrica.
El escalonamiento tiene lugar en un amplio margen de tiempos y depende de la
temperatura. A temperaturas bajas, esta primera etapa siempre tiene lugar, existiendo una
subdivisin previa en estrechamientos o puntos de crecimiento de los brazos dendrticos.
Los poliedros de silicio primario suelen cambiar de morfologa para tiempos de
tratamiento prolongados cuando la temperatura es baja, pero cuando son temperaturas
cercanas a la eutctica, 550 C, la evolucin es ms rpida. Los cristales de silicio primario
tienden a disolverse. Parece tratarse siempre de un proceso de disolucin por zonas ms
activas.
2. Etapa de crecimiento
Tras producirse la subdivisin de las partculas de silicio, el siguiente paso es el de
crecimiento, en el que unas partculas crecen a expensas de otras por la falta de
homogeneidad del silicio en la fase matriz, lo que supone la existencia de un gradiente de
concentracin, y provoca un flujo o trasiego de tomos de silicio, desde las partculas de
menor radio hacia las de mayor, con el fin de mantener el equilibrio de la interfase.
En este estadio se consigue una redisn ms homognea de las partculas de silicio,
disminuye el nmero total de partculas, y su forma se hace ms esfrica. Este proceso se
desarrolla de forma continua a tiempos de tratamiento prolongados.
3. Etapa de esferoidizacin
Se tiende a la forma ms estable de las partculas de silicio, que es la esfrica; la etapa de
esferoidizacin se superpone a la de crecimiento, sin una separacin clara. La evolucin
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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descrita se puede considerar vlida para cualquier estructura, independientemente del
contenido de silicio de la aleacin. Un esquema de esta evolucin se esquematiza en la Figura
6.
Mecanismo de esferoidizacin
Durante el crecimiento ninguna de las partculas puede cambiar su volumen, sin que se
produzca un cambio en el resto de partculas de la misma fase, que permita la conservacin
del volumen total.
En la etapa de esferoidizacin, se aprecia que unas partculas crecen a expensas de las
otras, que desaparecen. Si se consideran dos partculas adyacentes con diferente dimetro, la
concentracin de soluto en la matriz adyacente a la partcula aumenta cuando el radio de
curvatura decrece, debido al efecto Gibbs-Thomson. Por lo tanto, habr una falta de
homogeneidad de silicio en la matriz de fase , lo que supondr la existencia de un gradiente
de concentracin (factor base para que haya difusin) en la matriz, como consecuencia, se
producir la difusin de tomos de silicio, desde las partculas de menor radio a las de mayor
radio, con el fin de mantener el equilibrio de la interfase. El resultado ser que el nmero total
de partculas decrece y el radio medio (r) crece con el tiempo (Figura 7)
Figura 6, Representacin de la evolucin experimentada por los cristales de
silicio eutctico (Al-13Si), durante el tratamiento de esferoidizacin: a)
Estructura original, cristales de silicio ramificado, b) Primera fase del
proceso de subdivisin de cristales, c) Engrosamiento y disminucin del
nmero de partculas, d) Estructura final idealizada, partculas esfricas.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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El origen del crecimiento de una partcula de silicio radica en que con un radio de
curvatura pequeo tiene una energa libre molar ms alta que con un radio de curvatura
grande: la energa libre molar disminuye al aumentar el radio de curvatura. De esto se deduce
que el nmero total de partculas decrece y el radio medio (r) se incrementa con el tiempo.
El crecimiento de grano en los materiales policristalinos se produce debido a la
disminucin que experimenta la energa total del sistema por reduccin de la superficie de los
granos de silicio. La energa superficial total de las partculas de silicio se reduce por
engrosamiento (coarsening). Bajo condiciones ideales, la cintica de crecimiento de grano
puede obedecer a la ley propuesta por Lifshitz y Slyovz, que describe el crecimiento del
tamao medio de partcula como una funcin del tiempo.
Factores que intervienen en el proceso de esferoidizacin:
El proceso de esferoidizacin est influenciado por una serie de factores, como son la
temperatura a la que se efecta el ensayo, el tiempo de tratamiento, la estructura de partida
(modificada o no modificada) y la composicin de la aleacin.
Los cambios producidos a raz del proceso de esferoidizacin, revierten en una
variacin de las propiedades mecnicas, dureza, alargamiento, etc. La redistribucin de los
cristales de silicio en la matriz de aluminio provoca una mejora en el comportamiento plstico
Figura 7, esquema de las curvas de energa libre para
las fases (aluminio) y silicio segn el tamao (radio)
de estos cristales.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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y en la maquinabilidad de la aleacin.
Influencia del tiempo de tratamiento
Anteriormente se ha indicado la evolucin que experimentan las partculas de silicio en
el proceso de esferoidizacin, durante el que se suceden tres etapas o fases, que evolucionan a
medida que aumenta el tiempo de tratamiento. Las aleaciones de aluminio-silicio que han sido
sometidas al proceso de modificacin presentan un mayor grado de esferoidizacin que las no
modificadas a tiempos de tratamiento menores. Esta misma situacin se observa en las
aleaciones moldeadas en molde permanente, con eutctico fino, respecto a las moldeadas en
arena. En las partculas de silicio el dimetro medio, la relacin de tamaos y el nmero de
partculas varan en funcin del tiempo de tratamiento. Esto puede verse representado en la
Figura 8. Inicialmente, en la etapa de subdivisin o escalonamiento, el dimetro medio de
partcula disminuye debido a la fragmentacin de las partculas.
Posteriormente, en las etapas de crecimiento y esferoidizacin, se produce un
aumento en el dimetro medio. El dimetro medio de cristal de silicio es mucho menor en las
muestras modificadas que en las no modificadas. El nmero de partculas vara inversamente
con el dimetro de partcula mientras que el volumen total de silicio permanece constante.
En cuanto a la
relacin de tamaos, se
produce inicialmente una
mayor variacin en las
aleaciones no modificadas
que en las modificadas,
debido a la etapa de
subdivisin. Lo mismo ocurre
en las aleaciones moldeadas
en arena respecto a las
coladas en molde
permanente.
ARENA COQUILLA
Figura 8, Variacin del dimetro (D) de las partculas de silicio, factor de
forma (AR), nmero de partculas de silicio (N), con el tiempo de puesta
en solucin, a 530 C en la aleacin A356 moldeada en arena y coquilla.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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Influencia de la temperatura
La temperatura de tratamiento juega un papel importante en la determinacin de las
caractersticas de las partculas de silicio. La velocidad de esferoidizacin es directamente
proporcional a la temperatura del tratamiento. La energa de activacin para el crecimiento es
de 80 kcal/mol, lo que indica que tal proceso es muy sensible a las fluctuaciones de la
temperatura. La temperatura a seleccionar para el tratamiento trmico depende de la
composicin qumica de la aleacin. El incrementar la temperatura supone el facilitar la
difusin de los tomos de silicio, con lo que se logra una buena homogeneizacin en el seno de
la matriz.
Los ensayos de dureza muestran que el aumento de la temperatura de tratamiento
provoca un descenso acusado de esta propiedad para el mismo tiempo de ensayo.
Influencia de la composicin y estructura de partida
La composicin y estructura de partida influyen directamente sobre el tiempo y
temperatura empleados durante el proceso de esferoidizacin. El aspecto fibroso del silicio
eutctico de una aleacin modificada, es decir, libre de aquellos puntos ms activos de la
superficie del cristal con mayor energa libre, supone que la primera etapa de subdivisin no
se produzca, mientras que tiene lugar en la aleacin no modificada.
La temperatura de tratamiento se elige en funcin de la composicin qumica, ya que
temperaturas demasiado altas suponen la fusin de los intermetlicos situados en el lmite
de grano, que tienen una temperatura de fusin prxima a la temperatura eutctica del
sistema aluminio-silicio. Generalmente, estos intermetlicos contienen hierro.
En las aleaciones aluminio-silicio sin modificar, los cristales de silicio eutctico tienen
forma acicular y ramificada, con contornos puntiagudos que favorecen la aparicin de
microgrietas y reducen la ductilidad de la aleacin (Figura 9).
Por otra parte, el silicio modificado, con formas redondeadas o ms o menos esfricas,
aumenta la plasticidad de la aleacin y su resistencia a la propagacin de grietas. La resistencia
a la fatiga y a la rotura mejora con tratamientos trmicos prolongados.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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Figura 9, 1) Influencia de la forma de las partculas de silicio en la
fluencia de la fase durante el ensayo de dureza. (a) Forma esfrica, (b)
Morfologas aciculares ramificadas, 2) Dibujo esquematizado del efecto
que tiene la forma de las inclusiones o de la segunda fase en la aparicin
de microgrietas en un ensayo de traccin.
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Tratamientos trmicos en las fundiciones de hierro
El tratamiento trmico de las fundiciones se realiza fundamentalmente para eliminar
las tensiones internas que surgen durante el fundido. Estas tensiones conducen con el tiempo,
a la variacin de las dimensiones y forma de la fundicin, disminucin de la dureza y
mejoramiento de la maquinabilidad por corte y una elevacin de las propiedades mecnicas.
En el proceso de tratamiento trmico de la fundicin ocurren las mismas
transformaciones que en el acero. Sin embargo, stas se complican por el hecho de que
durante el calentamiento de la fundicin se puede desarrollar el proceso de grafitizacin que
cambia complementariamente la estructura y, por lo tanto, las propiedades de la fundicin.
Entre los tratamientos ms usados para una fundicin gris son: El recocido y la
normalizacin. Otros tratamientos como el austempering, tempering y hardening, son usados
en ocasiones limitadas.
En trminos de tratamiento trmico, las fundiciones grises pueden ser consideradas
una composicin de grafito libre (laminar) y hierro eutectoide (matriz). La situacin puede ser
adicionalmente complicada por la variedad de seccin, por consiguiente la respuesta trmica
variar un poco.
Por esta razn es necesario desarrollar experimentalmente los procesos precisos si se
desea resultados ptimos.
El recocido
Existen dos procesos de recocido que suelen ser aplicados a las fundiciones grises:
1. Eliminar tensiones
2. Ablandamiento
A continuacin se estudiarn con detalle cada uno de ellos
1. Los recocidos para la eliminacin de tensiones se realizan a temperaturas
relativamente bajas, a unos 550 C aproximadamente. Se dan para eliminar las tensiones que a
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veces tienen las piezas como consecuencia de los rpidos enfriamientos. Estos se
experimentan cuando desciende su temperatura, desde la correspondiente a la de
solidificacin hasta la del medio ambiente.
2. Los recocidos de ablandamiento de las fundiciones grises se dan a unos 740 C, y
sirven para mejorar la maquinabilidad y ablandar el material. Fundiciones grises en las que, por
causa de los elementos de aleacin o por la presencia de zonas pequeas con enfriamiento
rpido, no se consigue la matriz ferrita, se recuecen a 850 C.
Recodido para la eliminacin de tensiones
Los recocidos a bajas temperaturas se realizan a unos 550 C durante un periodo que
depende de la masa y constitucin de la fundicin. Este periodo generalmente se considera
igual a 1 hora por cada 25 mm de espesor y luego se le da un enfriamiento en horno a puerta
cerrada. Este proceso no tiene un efecto en las propiedades mecnicas, pero elimina las
tensiones que siempre suelen tener las piezas de fundicin despus de la solidificacin y
enfriamiento. Conviene dar esta clase de recocido a piezas de formas complicadas, o que
deban tener tolerancias dimensionales muy precisas, como cilindros de motores de explosin,
pistones, bancadas de mquinas herramientas, etc. Si no se eliminaran estas tensiones, las
piezas pueden sufrir luego deformaciones durante la mecanizacin o durante el
funcionamiento que, en ocasiones, crean importantes problemas y dificultades. Deben
emplearse velocidades lentas de calentamiento y en especial de enfriamiento, para evitar
Figura 10, ciclos ms empleados para el recocido de las fundiciones
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nuevas tensiones o roturas, sobre todo cuando las piezas son de formas complicadas.
Recocido de ablandamiento o ferritizacin
Recocido a 700 760 C [Subcrtico].
Para disminuir la dureza de las fundiciones grises se les somete a recocidos a 740 C
aproximadamente con enfriamiento en horno a puertas cerradas. Este recocido es interesante
porque en ocasiones las fundiciones grises en bruto de colada quedan relativamente duras y su
mecanizacin es difcil. En muchos casos las microestructuras de estas fundiciones en bruto
estn constituidas por grafito y ferrita y cantidades variables de perlita y sorbita. Estos
constituyentes, perlita y sorbita, son los que dan alta dureza y cuando interesa mucho facilitar
la mecanizacin conviene transformarlos por recocido, en ferrita y grafito. Para conseguir
despus del recocido una estructura de ferrita y grafito, que es la mejor para el mecanizado,
debe alcanzarse en el recocido una temperatura de unos 740 C aproximadamente. De manera
que si despus de sobrepasar la temperatura crtica y llegar a los 740 C, se mantiene esta
temperatura durante un cierto tiempo, se consigue que la perlita y la sorbita se transformen
en austenita. En esas condiciones, temperatura ligeramente superior a la eutectoide y
mantenimiento prolongado, la austenita va cediendo carbono que se deposita en forma de
grafito, obtenindose al final ferrita y grafito. Si se emplean temperaturas ms altas del orden
de 800 900 C, y el enfriamiento se hace al aire, se deposita muy poco grafito y es muy difcil
obtener baja dureza. Con este recocido a 740 C se baja la dureza de las fundiciones hasta 120
- 130 Brinell.
Recocido a 800 900 C [Medio o completo]
Es usado en situaciones donde, por causa de los elementos de aleacin o por la
presencia de zonas pequeas con enfriamiento rpido, obtenidas en el recocido subcrtico, no
se consigue la matriz ferrita.
En este proceso la fundicin es calentada a temperatura de 800 900 C, llegndose
de esta manera por encima de la temperatura de transformacin eutectoide. Despus de
mantenerla por 1 h por cada 25 mm de espesor, la fundicin es enfriada lentamente por la
regin de transformacin eutectoide, promoviendo la formacin de ferrita.
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Al calentar de 800 900 C, no hay formacin de grafito o esta formacin tiene poca
importancia, ya que la temperatura de mantenimiento no es apropiada para el depsito de
gran cantidad de grafito; calentando a 850 C por ejemplo, se formar austenita. Durante la
permanencia a esta temperatura habr formacin de una pequea cantidad de grafito y luego,
en un enfriamiento sin precauciones muy especiales, al pasar la zona eutectoide, se formar
perlita.
Si se calienta a 850 C se puede obtener la microestructura de grafito y ferrita, con
enfriamiento muy lento. Este tratamiento de 800 900 C tambin es recomendable para
fundiciones grises de gran dureza y para fundiciones atruchadas que contienen cementita
hipereutectoide. En esos casos la dureza inicial que ser francamente alta, 250 a 300 Brinell, se
podr disminuir con este recocido. En este tratamiento se calentar a unos 850 C
aproximadamente y luego se cuidar que la velocidad de enfriamiento sea muy lenta, sobre
todo en la zona crtica de 700 720 C, para facilitar el depsito del grafito eutectoide y luego
se puede enfriar al aire. En la figura 3.2 se ve como en la zona de 700 740 C es en la que hay
mayor formacin de ferrita y de grafito y es, por lo tanto, la ms crtica en esta clase de
recocido.
Recocido a 900 925 C [Grafitizacin]
Es usado en fundiciones grises slo cuando se quiere el retiro de carburos. Este
tratamiento consiste en calentar la pieza a temperaturas aproximadamente de 900 925 C. El
Figura 11, cantidad de ferrita que se forma cuando las
fundiciones de C = 3 % y Si = 2,20 %, despues de ser
calentadas a 8750C son enfriadas en bao de plomo
durante 5 min.
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tiempo de permanencia debera ser el mnimo (para evitar procesos de oxidacin y formacin
de xidos en las fronteras de grano), basado en la evaluacin microestructural y, para evitar
formacin de cascarilla innecesaria se puede usar horno de atmsfera controlada.
Despus de la descomposicin de carburos, la forma de enfriar depender de la
microestructura que se desee. Si se desea una estructura ferrtica, se recomienda un
enfriamiento en horno a puerta cerrada. Pero si se desea una fundicin de matriz perltica, se
recomienda un enfriamiento al aire. La experimentacin puede ser necesaria para compensar
los efectos de geometra y composicin de la fundicin.
La normalizacin o perlitizacin.
La normalizacin es el calentamiento de la fundicin hasta 850 950 C con un
enfriamiento posterior al aire sereno. Se emplea normalizacin para aumentar la dureza,
tenacidad y resistencia al desgaste de la fundicin. Esto se logra gracias a la total
transformacin de la base estructural ferrtica o ferrito-perltica, en la de perlita de la fundicin
gris (perlitizacin). La fundicin ferrtica maleable despus de la normalizacin a 800 850 C
se transforma en la fundicin perltica maleable.
Temple y revenido.
La posibilidad de mejorar por temple ciertas propiedades en las fundiciones es debida,
como en los aceros, a que estas aleaciones, al ser calentadas a elevadas temperaturas, 750 a
900 C se transforman, una parte en austenita. Este constituyente al ser enfriado luego, ms o
menos rpidamente, se convierte en martensita o en otros constituyentes intermedios. La
martensita, o los otros constituyentes intermedios, obtenidos despus del temple y los
constituyentes que se obtienen despus de su revenido, tienen propiedades de gran inters y
para numerosas aplicaciones. Dichas propiedades son mucho mejores que las que
corresponden a las estructuras de bruto en colada. En general, las leyes que rigen el temple y
revenido de las fundiciones son muy parecidas a las de los aceros.
En ocasiones se puede endurecer y aumentar la resistencia a la traccin de las
fundiciones grises por tratamiento trmico. De esta forma se consigue un gran aumento de
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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dureza y tambin un aumento, aunque mucho menos sensible, de la resistencia a la traccin y
de la resistencia al desgaste.
En forma general se somete a las fundiciones primero a un temple y luego a un
revenido. Los resultados que se obtienen dependen siempre, como es natural, de la clase de
tratamiento, de la microestructura y de la composicin qumica de la fundicin. Las
fundiciones con gran cantidad de ferrita y grafito, no son las ms recomendables para ser
endurecidas por tratamiento trmico. En cambio, con las fundiciones de matriz perltica se
puede conseguir mejoras muy importantes de dureza y de resistencia al desgaste por temple y
revenido.
Con el temple aumenta la dureza y luego con el revenido disminuye; esta disminucin
es tanto ms sensible cuanto ms elevada sea la temperatura (figura 3.3). En cambio, el efecto
del temple sobre la resistencia a la traccin es diferente. En la misma figura 3.3 se observa
cmo con el temple disminuye la resistencia y luego, en cambio, con el revenido, aumenta. Se
observa que con revenidos a temperaturas inferiores a los 500 C, aumenta la resistencia a
medida que aumenta la temperatura de revenido. En cambio, a partir de ese punto, las
fundiciones se comportan igual que los aceros y la resistencia disminuye al aumentar la
temperatura de revenido.
En los resultados influye mucho la templabilidad de cada fundicin. sta depende en
gran parte de los elementos de aleacin, debiendo considerarse tambin el espesor de las
Figura 12, influencia del temple y el revenido en
la resistencia a la traccin y en la dureza de las
fundiciones grises.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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piezas y el medio de enfriamiento. En general, es ms fcil que se produzcan grietas o roturas
en el temple de las piezas de fundicin que en las del acero, puesto que las fundiciones estn
constituidas por una materia ms dbil que la de los aceros, debido principalmente a la
existencia de lminas de grafito. Las grietas se producen como consecuencia de las tensiones
que se derivan del rpido y desigual enfriamiento que experimentan las distintas partes de las
piezas al ser introducidas en el lquido de temple.
Suele ser ms conveniente enfriar en aceite que en agua, porque en este ltimo caso
la velocidad de enfriamiento es muy grande, y son muy importantes las diferencias de
temperatura entre diversas zonas de la pieza durante el enfriamiento. Estas diferencias dan
lugar a fuertes tensiones que pueden ocasionar deformaciones y roturas. Pero al templar las
fundiciones ordinarias en aceite, se observa que no se alcanzan altas durezas y el temple es
imperfecto y por ello es necesario emplear en ocasiones elementos de aleacin que mejoren la
templabilidad. Los elementos usados con ese fin son el cromo, cobre, nquel y molibdeno.
Endurecimiento superficial de las fundiciones por flameado.
En muchos casos se puede mejorar la resistencia al desgaste de las fundiciones grises
endureciendo nicamente su zona perifrica. El mtodo ms empleado para ello es el
flameado o calentamiento superficial con llama. En ocasiones tambin, pero con menos
frecuencia, se emplea el calentamiento por induccin.
En este proceso la capa exterior de la pieza es calentada a temperaturas superiores a
la crtica de transformacin por medio de una llama oxi- acetilnica o de gas y oxgeno, y luego
se enfra rpidamente el material casi siempre con agua para conseguir la formacin de
martensita.
Las piezas de fundicin despus de este tratamiento estn constituidas por una capa
exterior perifrica dura y resistente al desgaste con un corazn blando de fundicin gris.
Hay adems una capa intermedia situada inmediatamente debajo de la capa dura, la
cual experimenta un cierto calentamiento pero no llega a alcanzar la temperatura de temple.
Puede considerarse que esa zona sufre un recocido de ablandamiento.
El flameado es un tratamiento muy interesante para las fundiciones, emplendolo se
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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puede obtener fcilmente una superficie dura, muy resistente al desgaste. Este tratamiento en
ocasiones tiene grandes ventajas debido a que las tensiones producidas por el flameado son
menores que las producidas por el temple total, las tensiones producidas en el enfriamiento
sern mayores.
Para este tratamiento se recomienda emplear fundiciones perlticas con contenidos de
silicio inferiores a 2% y porcentajes de manganeso variables de 0,8 a 1%, ya que este elemento
favorece el endurecimiento.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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Control de calidad
La supervisin de la calidad en la industria del aluminio abarca desde la materia
proveniente de la metalrgica hasta el producto final, pasando por todas las etapas de
fabricacin y productos intermedios. En la actualidad, para asegurar el cumplimiento de los
requisitos y especificaciones, existen varios procedimientos de anlisis qumico y estructural,
as como ensayos mecnico-electrnicos y tecnolgicos; que si bien son pruebas costosas y se
limita su uso a garantizar los objetivos. Las pruebas realizadas se encuentran generalmente
recogidas en las normativas DIN para ensayos de materiales, as como en las normas ISO, de
AFNOR, etc.
- Ensayos de composicin qumica
Como otros metales ligeros, se realizan anlisis de espectro de emisin,
espectrometra de fluorescencia de rayos X (mejor para metal altamente aleado).
- Examenes de la estructura
Se realizan investigaciones macroscpicas y exmenes en microscopios para garantizar
las propiedades fsicas del aluminio.
- Ensayos de productos metalrgicos, semielaborados y piezas fundidas
Es necesario un control continuo de las piezas en cada etapa del proceso de
fabricacin. Se extraen muestras, para poder realizar el control de calidad de las mismas, y
probar el cumplimiento de los objetivos planteados.
- Normas de calidad
Para el aluminio y sus diferentes aleaciones, aplican diferentes normativas como ya se
ha comentado anteriormente. stas normativas presentan y desarollan los mtodos para la
evaluacin y el testeo de muestras tanto de aluminio metalrgico, de sus aleaciones y de los
productos resultantes.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
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Reciclaje del aluminio
El reciclaje del aluminio es un proceso por el cual los desechos de aluminio se
convierten en otros productos, pudiendo aprovechar as la materia primaria. El aluminio es un
material 100% reciclable y tantas veces como uno quiera, es decir, no pierde ninguna
propiedad mecnica ni fsica.
Este proceso se basa en elevar la temperatura hasta la de fusin del aluminio y
fundirlo. Recordemos que para la obtencin del aluminio se parte de la bauxita que se extrae
de la mina, se refina mediante el proceso Bayer y finalmente se hace la electrlisis a partir de
la almina (Al2O3) hasta el aluminio final. Mediante el reciclaje de chatarra de aluminio y
productos finales a base de aluminio, se obtiene un ahorro importante en cuanto a energa y
por tanto dinero y en cuanto a materias primeras y minerales, ya que no hace falta explotar
ninguna mina.
Reciclar aluminio desechado requiere solamente el 5% de la energa que se consumira
para producir aluminio de la mina. Como dato, una tercera parte de todo el aluminio
producido en el mundo proviene de chatarra reciclada.
Las principales fuentes de las que se toma el aluminio para su reciclaje incluyen
aeronaves, automviles, bicicletas, botes, ordenadores, material de menaje, canalones, etc.
Uno de los procesos ms comunes y utilizado desde casa es el del reciclaje de las millones de
latas de bebidas que cada da se utilizan a lo largo del mundo.
La mayora de procesos de reciclaje de aluminio se basan en:
Troceado de los objetos o planchas de aluminio.
Limpieza de estos trozos qumica o mecnicamente.
Se hacen grandes bloques para minimizar el efecto de la oxidacin cuando se fundan,
pues la superficie del aluminio se oxida instantneamente cuando se expone al
oxgeno.
Introduccin de los bloques en los altos hornos y se calientan a 750C 100C para
fundir el aluminio.
Retirada de la escoria y el hidrgeno disuelto y se desgasifica. El aluminio fundido
disocia rpidamente el hidrgeno del vapor de agua y de los contaminantes
hidrocarbonados.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
30
Se toman muestras para un anlisis espectroscpico. Dependiendo del producto final
deseado, se aade a la mezcla aluminio de alta pureza, para conseguir unas
especificaciones adecuadas para la aleacin. Las 5 aleaciones de aluminio ms usadas
son, aparentemente, aluminio 6061, aluminio 7075, 1100, 6063, y 2024.5
El alto horno se abre, se sangra el aluminio fundido y se repite el proceso para un
nuevo lote de metal desechado. Dependiendo del producto final puede ser moldeado
en lingotes, molduras o barras en forma de grandes bloques para su posterior
laminacin, atomizacin, extrusin, o transporte en estado fundido a otras
instalaciones de fabricacin para seguir su procesamiento.
En esta figura se puede visualizar los procesos que sufre una lata de refresco en todo el
proceso de reciclaje:
Figura 13
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
31
En nuestro caso particular: un pistn de un motor de F1, el proceso de reciclaje partira
de la introduccin de los pistones en los hornos a la temperatura de fusin del aluminio, que el
metal se funda y luego seguira el proceso habitual, creando placas de aluminio, laminndolo,
etc.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
32
Caso especfico: Pistn de un motor de F1
Para el desarrollo de nuestro caso especfico, hemos decidido estudiar el pistn de un
coche de alta potencia, en particular de un Frmula 1.
Un coche de Frmula 1 tiene instalado un motor de 10 cilindros en V de 3000 cc. Para
este tipo de vehculos, el motor debe cumplir ciertas caractersticas: debe pesar lo mnimo,
resistir altos pares, altsimas temperaturas y fallar muy poco. En comparacin con un turismo
normal, un motor de Frmula 1 multiplica por 3 el rgimen de giro de un motor de calle,
multiplica por 4 su potencia, y la vida media pasa de 250.000 Km a 450 Km. Como dato curioso,
un motor de estas caractersticas llega a girar a una velocidad de hasta 18.000 y 20.000 rpm.
Como hemos visto, el motor y en nuestro caso los pistones, sufren muchas cargas y
deben trabajar en condiciones extremas de temperatura y presin. Es por esto que el material
elegido para su fabricacin es de vital importancia.
Material
Los pistones de un motor de Frmula 1 y alta competicin se fabrican de aleaciones de
aluminio forjados ya que es un material ms denso que los materiales utilizados para pistones
normales y permite, entre otras, la rpida disipacin de calor y altas temperaturas
provenientes del proceso de combustin. Otra ventaja muy importante es que los pistones de
F1 son ms livianos que los pistones originales ya que las paredes del pistn son de menor
espesor pero logrando una mayor resistencia.
Uno de los puntos negativos es que el material de los pistones forjados tiene menos
contenido en Silicio que los pistones normales y sufren una dilatacin mayor hasta llegar a su
temperatura normal de funcionamiento. Esto requiere que los cilindros tengan una distancia
mayor respecto al pistn que conlleva posibles prdidas de aceite y bajar el rendimiento
trmico.
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
33
Ventajas e inconevenientes de un pistn de Frmula 1:
Ventajas Desventajas
Son ms resistentes
Sufren una dilatacin mayor
Soportan mayor nmero de rpm de motor
sin riesgo de rotura
Debido a la mayor dilatacin los cilindros
debern llevar ms luz con lo cual se puede
llegar a aumentar un poco el consumo de
aceite.
Permiten una mayor disipacin de
temperatura
En frio, el motor puede tener un
funcionamiento ruidoso
Fabricacin
El proceso de fabricacin de un pistn utilizado en un motor de F1 es un proceso
complejo y muy preciso, ya que en competicin el mnimo error puede ser fatal.
La construccin tiene como base una barra de aluminio aleado que se corta
transversalmente a una altura previamente calculada para que cuando se haga la forja, la
altura final sea la correcta.
Es un proceso de forja en matriz abierta sin rebaba, es decir, el volumen de material
inicial es el mismo que el volumen de material final y por eso se debe calcular minuciosamente
la cantidad de material necesario.
Figura 14
Figura 15
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
34
Acto seguido un operario introduce cada pequeo cilindro cortado en una mquina
que eleva la temperatura del cilindro a ms de 600C y le ejerce una presin de 3000
toneladas de presin durante dos segundos, en el cual el cilindro se deforma plsticamente
para conseguir la forma deseada.
Cuando acaba el proceso de forja, se introduce rpidamente la pieza en un cubo con
agua a temperatura ambiente, para bajar la temperatura rpidamente y conseguir una dureza
superior. En este caso, el enfriamiento se produce fuera de la lnea de equilibrio, lo que
produce esta elevada dureza.
En este proceso, uno de cada trescientos pistones fabricados se aparta para su
estudio, centrndose en comprobar las propiedades mecnicas adecuadas y el
dimensionamiento. Como ya hemos dicho, no puede haber el ms mnimo error en su
fabricacin.
Figura 16 Figura 17 Figura 18
Figura 19 Figura 20
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
35
Despus del enfriamiento al agua, se montan muchos pistones en un bastidor y se
introducen en un horno a alta temperatura, efectuando el recocido pertinente. Recordemos
que para obtener buenas propiedades mecnicas y un buen dimensionamiento, es necesario
finalizar el temple con un recocido.
Despus de obtener las dimensiones finales y las propiedades mecnicas deseadas, se
introduce en una mquina de control numrico previamente reglada para efectuar los detalles.
Primero se lija la cara superior del pistn y los lados, retirando as la capa externa y
dejando el material brillante.
Ms tarde se efectan los agujeros diminutos situados en los laterales del pistn para
finalmente hacer las hendiduras para los aros del cilindro: tanto para el aro del aceite como el
aro de estanqueidad.
Figura 21
Figura 22
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
36
Ms tarde se hace el agujero que permitir la unin del pistn con la biela. Este
proceso, como el de las hendiduras de los aros se realiza aportando material refrigerante, para
un mejor funcionamiento y durabilidad de la mquina.
Finalmente se finaliza con los detalles superficiales, como una pequea incursin para
rebajar material en la parte superior del pistn, un lijado de las caras laterales y la inclusin del
nmero de serie.
Figura 23 Figura 24
Figura 25
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
37
Finalmente, los pistones son montados en los pertinentes motores en V y probados
algunas veces para asegurarse su correcto funcionamiento.
Figura 26
Figura 27
Tecnologa de los materiales Fabricacin de un pistn
38
Bibliografa
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