COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y TRIBÓLOGICO DE BUJES PARA ...

COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y TRIBÓLOGICO DE BUJES PARA ELECTRODOMESTICOS OBTENIDOS POR PULVIMETALURGIA CON

ADICIÓN DE ESTAÑO O ZINC

JUAN PABLO CANDELO GONZALEZ 2126376

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y TRIBÓLOGICO DE BUJES PARA ELECTRODOMESTICOS OBTENIDOS POR PULVIMETALURGIA CON

ADICIÓN DE ESTAÑO O ZINC

JUAN PABLO CANDELO GONZALEZ

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Directora NELLY CECILIA ALBA DE SÁNCHEZ, PhD

Director Grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico Emerson Escobar Nuñes Jurado Julio Cesar Caicedo Angulo Jurado

Santiago de Cali, 9 de noviembre de 2018

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Dedico este trabajo a mi padres, por enseñarme el valor del conocimiento, y por apoyarme en todo momento para lograr mis metas y objetivos de vida.

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AGRADECIMIENTOS

A Dios por darme la oportunidad de cumplir mis sueños.

A mis padres Lenin Cándelo y Lilia Esmeralda González López; a mi hermana Isabel Cristina Cándelo González por su dedicación y amor en cada paso dado en mi vida.

Al Grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales, GCIM, especialmente a la Doctora Nelly Cecilia Alba de Sánchez por permitirme ser parte activa de su grupo de investigación en el cual se desarrolló este proyecto.

Al personal de los laboratorios de Mecánica de Sólidos por su apoyo y hospitalidad en la realización de las pruebas experimentales.

A la empresa MVM Ltda. por confiarnos esta investigación y por suministrarnos el material para el estudio de este proyecto y al ingeniero Juan de Jesús Galindo por sus asesorías.

A los profesores: Marisol Gordillo, Héctor Enrique Jaramillo por la orientación en dudas relacionadas al tema de estadística e ingeniería y a la Dirección de Investigación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad Autónoma de Occidente por su apoyo en la investigación.

6

CONTENIDO pág.

GLOSARIO 14

RESUMEN 15

INTRODUCCIÓN 17

1. ANTECEDENTES 19

2. PROBLEMA DE INVESTIGACION 21

3. JUSTIFICACIÓN 24

4. OBJETIVOS 26

4.1 OBJETIVO GENERAL 26

4.2 OBJETIVO ESPECIFICO 26

5. MARCO TEÓRICO 27

5.1 METALURGIA DE POLVOS 27

5.2 MEZCLADO 28

5.3 PRENSADO 28

5.4 SINTERIZADO 28

5.5 REPRENSADO 28

5.6 APLICACIONES DE LA PULVIMETALURGIA 29

5.7 BUJES 29

5.8 MATERIALES UTILIZADOS EN BUJES AUTOLUBRICADOS 30

5.9 PRUEBA DE DUREZA 30

7

5.10 TRIBOLOGIA 31

5.11 DESGASTE PIN ON DISK 32

5.12 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO SEM 33

5.13 ANÁLISIS TERMICO 34

5.14 PRUEBA DE TUKEY 36

6. DETALLES EXPERIMENTALES 37

6.1 FABRICACION DE LA MUESTRAS 37

6.1.1 Materiales 37

6.1.2 Mezclado 37

6.1.3 Prensado 38

6.1.4 Sinterizado 39

6.1.5 Vibrado 40

6.1.6 Reprensado 41

6.2 PREPARACION DE LAS MUESTRAS 42

6.2.1 Cortado 42

6.2.2 Montaje de la probeta 43


6.4 PRUEBA PIN ON DISK 45

6.5 MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO SEM 48

6.6 CARACTERIZACIÓN TÉRMICA 49

6.6.1 Análisis Termogravimetrico 49

7. RESULTADOS Y ANÁLISIS 51


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7.2 PRUEBA PIN ON DISK 53

7.2.1 Bujes CT500 53

7.2.2 Bujes CT1000 57

7.2.3 Bujes MVM500 59

7.2.4 Bujes MVM1000 62

7.2.5 Bujes MVM300. 64

7.3 MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO 68

7.4 ANALISIS DE TERMICO. 71

7.4.1 Mezcla 92% Cobre y 8% Zinc 71

7.4.2 Mezcla 95%Cobre y 5%Estaño 74

7.4.3 Mezcla 90% Cobre y 10% Estaño 75

8. CONCLUSIONES 77

9. RECOMENDACIONES 78

BIBLIOGRAFÍA 79

ANEXOS 82

9

LISTA DE GRÁFICOS

pág.

Gráfico 1 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes CT500 .................... 53

Gráfico 2 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes CT1000 .................. 57

Gráfico 3 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes MVM500 ................ 59

Gráfico 4 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes MVM1000 .............. 62

Gráfico 5 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes MVM300. ............... 64

Gráfico 6 Termograma de la mezcla 92%Cu 8%Zn ................................. 72

Gráfico 7 Termograma del ligante estearato de Zinc .............................. 73

Gráfico 8 Termograma a polvos metálicos de cobre .............................. 74

Gráfico 9 Termograma de la mezcla 95%Cu 5%Sn ................................. 75

Gráfico 10 Termograma de la mezcla 90%Cu 10%Sn ............................. 76

10

LISTA DE FIGURAS pág.

Figura 1 Piezas fabricadas por MVM mediante pulvimetalúrgia. 19

Figura 2 Sub-procesos para producción de piezas a partir de MP 27

Figura 3 Bujes autolubricados fabricados mediante proceso de pulvimetalúrgia. 30

Figura 4 Esquema máquina de ensayos Pin on Disk. 33

Figura 5 Esquema de la máquina para ensayos TGA y sus reacciones quimicas. 35

Figura 6 Equipo mezclador de polvos de la empresa MVM Ltda. 38

Figura 7 Compactadora de polvos metálicos de MVM Ltda. 39

Figura 8 Entrada de los bujes en verde al horno Sinterizador de MVM Ltda. 40

Figura 9 Vibradora industrial de MVM Ltda. 41

Figura 10 Compactadora de MVM Ltda. Para el reprensado. 41

Figura 11 Cortadora de precisión BUEHLER IsoMet low speed saw, y esquema de corte para los bujes. 42

Figura 12 Encapsuladora y muestra encapsulada. 43

Figura 13 Durómetro para dureza Vickers. 44

Figura 14. Posición de la probeta en el porta muestras de la máquina Pin on Disk 45

Figura 15. Equipo de ultrasonido y balanza analítica, laboratorio GCIM, UAO 46

Figura 16. Estereoscopio marca DIGIMESS y microscopio 3D Laboratorio 47

Figura 17 equipo SEM y sistema para aplicación de recubrimiento. 48

Figura 18 Analizador Termogravimétrico TGA Q500. 49

11

Figura 19 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes CT500. 54

Figura 20 Micrografía a 160X 56

Figura 21 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes CT1000 58

Figura 22 Micrografia a 160X 59

Figura 23 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes MVM500. 60

Figura 24 Micrografia a 160X 61


Figura 26 Micrografía 160X 63


Figura 28 Micrografía por 160X 65

Figura 29 Micrografías SEM a 100X de bujes de referencia CT500 y MVM500. 69

Figura 30 Micrografías SEM a 100X de bujes de referencia CT1000 y MVM1000. 70

Figura 31 Micrografías SEM a 100X de bujes de referencia MVM300. 71

12

LISTA DE TABLAS pág.

Tabla 2 Parámetros de sinterización de los bujes. 40

Tabla 3. Parámetros de ensayo - Pin on Disk 45

Tabla 4 variables para prueba TGA 50

Tabla 5 Valores de dureza Vickers (HV) de los bujes. 51

Tabla 6. Análisis de la varianza en la dureza (HV). 52

Tabla 7. Prueba Tukey (α= 0.05) - Tipo de Material y Dureza Vickers. 52

Tabla 8 coeficiente de fricción dinámica promedio - Prueba Pin on Disk 66

Tabla 9 Pérdida de masa en gr – Prueba Pin on Disk 66

Tabla 10 Varianza del coeficiente de fricción dinámico y pérdida de masa por desgaste. 67

Tabla 11 Prueba Tukey (α= 0.05) - tipo de material y coeficiente de fricción dinámico; tipo de material y pérdida de masa por desgaste. 67

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LISTA DE ANEXOS pág.

Anexo B. Validación de supuestos sobre el error del modelo experimental en las mediciones de dureza Vickers. 83

Anexo C. Validación de supuestos sobre el error del modelo experimental en las mediciones de coeficiente de friccion dinamica. 84

Anexo D. Validación de supuestos sobre el error del modelo experimental en las mediciones de perdida de masa por desgaste. 85

Anexo A Catálogo de bujes autolubricados para electrodomésticos fabricados por la empresa MVM. 82

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GLOSARIO

BUJE: Es el elemento de una máquina donde se apoya y gira un eje.

DESGASTE DE SUPERFICIES SÓLIDAS: Es la pérdida de material en una superficie sólida debido a la fricción con otra superficie más dura.

DUREZA: Es una oposición del material a alteraciones como la penetración, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras.

PULVIMETALURGIA: Es un proceso de fabricación en el cual se compactan polvos finos y se sinterizan para darles una forma determinada.

SINTERIZACIÓN: Es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.

ALEAMIENTO MECÁNICO: Es una técnica de procesamiento en estado sólido que permite producir aleaciones a partir de la mezcla de polvos elementales o polvos prealeados.

PREALEADO: El material en polvo se encuentra parcialmente unido a nivel químico.

TRIBOLOGÍA: Ciencia que estudia los fenómenos relacionados con la fricción, el desgaste y la lubricación en superficies en contacto.

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM): Técnica que utiliza un haz de electrones para crear una imagen de alta resolución y profundidad.

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RESUMEN

Tanto en Colombia como en el mundo las empresas fabricantes de piezas o elementos mecánicos, se ven obligas proporcionar calidad en todos sus productos, si quieren mantenerse en el mercado, el cual es muy competitivo. Es claro que el mercado no solo exige calidad, sino también precios bajos. La empresa MVM Ltda. se encuentra en un proceso de desarrollo de bujes autolubricados para ventiladores dentro de su línea de bujes para electrodomésticos. Los bujes son fabricados en aleación de cobre obtenidas por proceso de metalurgia de polvos.

La empresa logro introducir al mercado dos referencias CT500 y CT1000 las cuales tuvieron gran aceptación, pero la importacion de bujes de origen extranjero, cada vez es mayor, y resultan ser más económicos comparados con bujes de origen nacional. Como MVM Ltda. requiere minimizar costos para aumentar su competitividad, deciden realizar el proceso de mezcla de polvos en planta, y no por un agente externo como se realiza normalmente, con lo que surgen las referencias MVM500 y MVM1000. Por otro lado, deciden lanzar en su línea de producción una nueva referencia que resulte mucho más económica utilizando diferente material de aporte. Pero para lanzar al mercado las nuevas referencias es necesario validar su calidad, para lo cual es necesario evaluar las propiedades mecánicas y tribológicas de las diferentes referencias siendo esta, la razón de este estudio.

Tres de las referencias de los bujes fueron fabricadas para el estudio de sus propiedades (MVM300, MVM500 y MVM1000), las demás, ya se encontraban dentro de la línea de producción de MVM Ltda. Se determinó la dureza Vickers de las diferentes referencias de bujes; la perdida de material por desgate y el coeficiente de fricción dinámico mediante el ensayo pin on disk. Se realizó un análisis de la microestructura presente en los materiales por medio del ensayo de microscopia electrónica SEM. Por último, se evaluó la estabilidad térmica de los materiales a temperatura de sinterización de los bujes mediante Termogravimetría.

Acorde a los resultados obtenidos con las pruebas realizadas, se determinó que se pueden lanzar al mercado las referencias MVM500 y MVM1000 ya que no poseen diferencias significativas con las referencias CT500 y CT1000. Al comparar las propiedades mecánicas y tribológicas de la referencia MVM300 con el resto, se determinó que no puede ser lanzada esta referencia al mercado ya que sus propiedades se encuentran muy por debajo del rango requerido.

Palabras clave: Pulvimetalúrgia – bujes – prensado – sinterizado – tribología – dureza – desgaste superficial – microscopia electrónica de barrido.

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ABSTRACT

In Colombia as in the world, manufacturers of mechanical parts, are forced to provide quality in all their products, if they want to stay in the market, which is very competitive. It is clear that the market demands not only quality but also low prices. MVM Ltda. company, is now in a process of developing self-lubricated bushings for fans within its line of bushings for home appliances. The bushings are made of copper alloy obtained by powder metallurgy process.

The company achieved the introduction the market of two references, CT500 and CT1000 which were very popular, but the import of foreign origin bushings, is increasing, and turned out to be cheaper compared to national origin bushings. As MVM Ltda. requires minimizing costs to increase competitiveness, they decided to make the powder mixture process in their plant and not by an external agent as is normally done, which arise MVM500 and MVM1000 references. On the other hand, they decided to throw in its production line a much cheaper new reference it using different filler material. But to launch the new references is necessary to validate its quality, for which is necessary to evaluate the mechanical and tribological properties of different references, being this, the reason of this research.

Three bushings references were made for studying its properties (MVM300, MVM500 and MVM1000), the others references were already within the production line MVM Ltda. The Vickers hardness of the different bushings references was determined with a durometer; also were determinate the material loss and the dynamic friction coefficient by the pin on disk test. The microstructure analyses of the materials were done by electron microscopy SEM. Finally, the thermal stability of the materials was evaluated by Thermogravimetric.

According to the results, it was determined that is possible introduce to the market the MVM500 references and MVM1000 because they haven´t significant differences with CT500 and CT1000 references. Finally, comparing the mechanical and tribological MVM300 properties with the others references, it was determined that is not possible introduced the MVM300 reference to the market, because its properties are well below the required range.

Keywords: Powder metallurgy - bushings - pressing - sintering - tribology - hardness - surface wear - scanning electron microscopy.

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INTRODUCCIÓN

Los bujes son elementos de máquinas, los cuales facilitan la rotación de un eje, es decir, le brindan la protección al eje para girar libremente; además de reducir las vibraciones producidas por el movimiento. Los bujes al ser elementos que operan bajo alta exigencia mecánicas, requieren de avanzados procesos de manufactura, para otorgarle buenas propiedades mecánicas y tribológicas. De este modo, en el mundo se introducen procesos en la industria como la pulvimetalúrgia, en la cual se mezclan dosis concretas de polvos finos, se comprimen para darles una forma definida, y luego se calientan en una atmosfera controlada, a una temperatura menor a la del punto de fusión del material principal; con esto se logra la unión de superficies en contacto, estableciendo las propiedades buscadas. Este proceso se presta para la producción en masa de pequeñas piezas y/o formas intrincadas. El desperdicio de material es mínimo, ya que se obtiene la pieza casi en su estado final, y se reducen costos de maquinado1.

Gracias al proceso de la pulvimetalúrgia, se pueden obtener las propiedades de los diferentes materiales que intervienen en la aleación. Es por esta razón que el método resulta tan atractivo, ya que elementos propios de medios sometidos a fricción, pueden ser diseñados para evitar procesos de lubricación mientras el elemento se encuentra en operación, esto sin sacrificar las propiedades mecánicas requeridas. A este tipo de materiales se les conoce como materiales autolubricados.

A nivel nacional, la producción de piezas obtenidas a partir de pulvimetalúrgia, ha empezado a tomar gran importancia, en donde algunas empresas con proyectos de innovación tomaron la iniciativa de introducir el proceso de pulvimetalúrgia dentro de su producción. Este es el caso de MVM Ltda. una empresa dedicada a la fabricación de componentes para motores de combustión interna, esto implica que los estándares de fabricación deben ser de alta calidad, ya que así lo exige el mercado. Dentro de los productos que fabrica MVM mediante la pulvimetalúrgia, se encuentran una gran variedad de bujes para electrodomésticos, para los cuales esta empresa busca cada día mejorar la calidad de sus productos y de este modo aumentar su competitividad en el mercado.

Con este proyecto, se pretende analizar las características mecánicas y tribológicas de los bujes auto lubricados fabricados por MVM a través de metalurgia de polvo, con diferentes porcentajes de Estaño o Zinc en su composición, para posteriormente seleccionar la mejor adicción. Esta investigación se realizará con el grupo de

1 TEMPLE BLACK J., KOHSER Ronald A. Materiales y Procesos de Fabricación. 2nd ed. california: Reverte, 2002, 355 p. ISBN: 8429148221.

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investigación GCIM de la Universidad Autónoma de Occidente y la empresa MVM Ltda. con el fin de determinar cuál de los elementos Estaño o Zinc es el más apropiado para adicionarle a los bujes para un mejor desempeño y que compita en calidad y costos con bujes importados.

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1. ANTECEDENTES

A nivel mundial, diferentes empresas encargadas de la fabricación de elementos autolubricados para gran variedad de aplicaciones, han introducido en sus líneas de producción, tecnologías como la metalurgia de polvos, con el fin de alcanzar una eficiencia máxima en el consumo de materiales.

En Colombia, MVM Ltda. es una empresa metalmecánica, la cual se encuentra en proceso de expansión, a otros países de Latinoamérica y Centroamérica. La calidad y precios en sus productos, además de la gestión misma de la empresa, ha generado gran aceptación dentro de la industria automotriz y de autopartes. Esta empresa, fue fundada en 1985 iniciando con la fabricación de bujes para ejes de levas, y maquinaria para rectificación. Entre 1999 y 2003 MVM Ltda. desarrolló guías para válvulas de motor, camisas para los cilindros del motor, bujes para automóviles y electrodomésticos, además de otros elementos que operan bajo grandes exigencias mecánicas. Pero no fue sino hasta el año 2010, en donde la empresa introdujo el proceso de metalurgia de polvos, para la fabricación de sus piezas. En la figura 1 se observan algunas de las piezas fabricadas por el proceso de metalurgia de polvos en la empresa MVM Ltda.; en el anexo 1 se muestran los diferentes tipos de bujes que fábrica MVM y sus aplicaciones principales.

Figura 1 Piezas fabricadas por MVM mediante pulvimetalúrgia.

Fuente: MVM Ltda., Piezas Sinterizadas por MVM [en línea]. mvmltda [Consultado 30 noviembre 2017].Available at: http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html.

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Para la fabricación de los bujes que fabrica actualmente MVM, es utilizada materia prima en polvo compuesta por Cobre y Estaño; 95%Cu, 5%Sn para referencias CT500 y MVM500; 90%Cu, 10%Sn para referencias CT1000 y MVM1000. Según un estudio realizado por N. Krivij y X. Suarez, la adición de Estaño a una matriz de Cobre, aumenta en gran medida la propiedades mecánicas y tribológicas del material. Para lo cual concluyen que la utilización de estos materiales para aplicaciones como cojinetes antifricción es ideal mediante el proceso de pulvimetalúrgia2.

Aunque la aleación cobre –estaño ha tenido una gran aceptación en el mercado de componentes autolubricados, existen otras aleaciones de bronce con características mecánicas y tribológicas cercanas a las de Cobre-Estaño. En su trabajo de investigación J. Huanacuni determinó las propiedades mecánicas para un bronce compuesto por Cobre y Zinc aleado a través de pulvimetalúrgia. Y finalmente concluye que la aleación Cobre-Zinc aumenta las propiedades mecánicas del material, en especial su dureza3.

Remitiéndonos a un caso cercano, en el que el elemento actúa en un medio friccionante, al igual que los bujes autolubricados, J. Calderón, estudia las propiedades físicas y mecánicas de una aleación (92%Cu y 8%Zn) y generó un modelo teórico que arrojó el rango de los principales parámetros para la fabricación de cojinetes autolubricados mediante la sinterización4. Esto lo hace con el fin de impulsar el desarrollo de tecnologías en su país, y el aprovechamiento de recursos naturales como Cobre y Zinc. Finalmente concluye que es de gran viabilidad la fabricación de los cojinetes autolubricados a partir de esos materiales.

2 KRIVIJ, N. Obtención y caracterización del polvo de bronce Cu88Sn6,5Zn4Pb1,5 para aplicaciones en cojinetes. En: revista de metalurgia Madrid, España: Consejo superior de investigaciones científicas, junio 2008, nro. 36. 452-458 p.

3 HUANACUNI, Andrés. Estudio de las propiedades mecánicas de un compuesto de matriz metálica rico en 80% de cobre, aleado con zinc y estearato de zinc para evaluar la dureza y el desgaste vía la Pulvimetalúrgia. Para optar como ingeniero mecánico. Arequipa, Perú: Universidad Nacional de San Agustín. Facultad de Ingenieria. Departamento de Mecanica. 2015. P. 48-54

4 CALDERO Celis, J. Sinterización y estudio de las propiedades físicas y mecánicas de la aleación 92Cu8Zn1Zn (C10H35O2)2 para la fabricación de cojinetes auto lubricados. Para optar como ingeniero mecánico. Lima, Perú: Universidad Nacional Mayor De San Marcos. Facultad de Ingenieria. Escuela de materiales. 2010. P. 36-37.

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2. PROBLEMA DE INVESTIGACION

La industria de la automoción exige actualmente una serie de características a los materiales y a los elementos que se fabrican con ellos, que van desde la disminución de peso, hasta una vida útil más prolongada, además de cumplir con las propiedades mecánicas y tribológicas requeridas5. A partir de este requerimiento, se han dedicado grandes recursos y estudios alrededor del mundo, para que nuevas tecnologías y procesos ayuden a cumplir con estos objetivos en las diferentes áreas de la industria.

En el caso de la fabricación de componentes autolubricados, en las últimas décadas, los grandes productores de este tipo de piezas a nivel mundial, han tenido gran acogida, ya que usan el proceso de metalurgia de polvos, para su fabricación. Esto confiere excelentes propiedades mecánicas y tribológicas al material, y el proceso resulta menos costoso que la aleación por fundición utilizada tradicionalmente.

En Colombia, una de las mayores productoras de piezas autolubricadas es la empresa MVM Ltda. Inicialmente la empresa basaba su producción mediante el proceso de fundición; pero en la actualidad cuenta con una línea de equipos para el desarrollo y producción de diferentes tipos de elementos autolubricados a través de la metalurgia de polvos. Entre los productos fabricados bajo el proceso de pulvimetalúrgia por la empresa, se encuentran principalmente elementos sometidos a fricción; como asientos de válvulas, camisas para motor, guías de válvula, bujes para lavadoras, bujes para electrodomésticos, entre otra gran variedad de productos.

Dentro de la implementación de la metalurgia de polvos en la fabricación de piezas, la empresa MVM, ha mantenido la constante generación de alternativas para mejorar la calidad en sus productos y reducir costos, lo que ha permitido mantener los clientes y también permitir la llegada de nuevos clientes. De esta manera aumentar la competitividad de la empresa, tanto en el ámbito nacional, como en el internacional.

La innovación en el sector industrial es clave para la generación de empleo y la competitividad de las empresas; es por esto que la colaboración entre 5 HUANACUNI, A. Estudio de las propiedades mecánicas de un compuesto de matriz metálica rico en 80% de cobre, aleado con zinc y estearato de zinc para evaluar la dureza y el desgaste vía la pulvimetalúrgia. Para optar como ingeniero mecanico. Arequipa, Perú: Universidad Nacional de San Agustín. Facultad de Ingenieria. Departamento de mecánica. 2015.

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investigadores, universidades y empresas es crucial para generar nuevas fuentes de conocimiento y oportunidades de negocio6. Como respuesta a este tema, MVM Ltda. asesorada por el grupo de investigación GCIM de la Universidad Autónoma de Occidente, pretende mejorar las propiedades mecánicas y tribológicas de los bujes para ventiladores con el fin de garantizar su calidad, competitividad y cumplir las expectativas de los clientes. Teniendo en cuenta los bajos costos que otras empresas de la competencia a nivel mundial ofrecen al mercado, pero sin comprometer la calidad de los productos, la cual ha resultado muy atractiva para los clientes de MVM Ltda.

MVM Ltda. produce actualmente dos referencias estándar de bujes para ventiladores, CT500 (95%Cu y 5%Sn) y CT1000 (90%Cu y 10%Sn) las cuales son producidas con material en polvo importado mezclado por el fabricante de la materia prima. Estas mezclas se encuentran en su mayor parte compuestas por cobre, pero varía el porcentaje de material de aporte (Estaño), por lo que hay diferencia tanto en propiedades mecánicas y tribológicas, como en costos de producción y comercialización entre estas dos referencias. Según la Bolsa de Metales de Londres (LME) el precio promedio del Cobre para el primer semestre del 2018 fue de 6131.00 dólares por tonelada7; mientras que el precio del Estaño para el mismo periodo de tiempo, fue de 19725.00 dólares por tonelada8. Siendo la mezcla para los bujes CT500, la más económica, por tener menor cantidad de Estaño, pero también con menores propiedades mecánicas comparada con la CT1000.

Intentando reducir costos, la empresa MVM Ltda. lanzó dentro de su línea de producción dos referencias muy similares: MVM500 (95%Cu y 5%Sn) y MVM1000 (90%Cu y 10%Sn) las cuales contienen los mismos materiales en iguales proporciones, a diferencia del polvo importado que es mezclado dentro de las instalaciones de MVM Ltda. lo que resulta un factor que reduce costos de producción, y puede generar competitividad en los precios del mercado. Los bujes autolubricados que se incorporaron, han tenido buena acogida por los clientes, no han reportado quejas sobre su calidad, pero aún se desconoce qué diferencias mecánicas y tribológicas hay entre las referencias CT (500 y 1000) y MVM (500 y 6 Pulvimetalúrgia: Proceso sostenible para la fabricación de carburos cementados en Colombia. En: Informador Técnico Colombia, Enero-Junio 2017. Vol. 81, 11658.

7 LME (London Metal Exchange). “LME COPPER OFFICIAL PRICES” [en línea]. Londres, Inglaterra: LME. 2018. [ consulta: 8 de Julio de 2018]. https://www.lme.com/Metals/Non-ferrous/Copper#tabIndex=0

8 LME (London Metal Exchange). “LME TIN OFFICIAL PRICES” [base de datos [en línea]. Londres, Inglaterra: LME. 2018. [consulta: 8 de Julio de 2018]. Disponible en https://www.lme.com/Metals/Non-ferrous/Tin#tabIndex=0

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1000), así que tomar una decisión, sobre qué línea debe continuar en el mercado, CT o MVM, no ha sido posible.

A nivel mundial otros productores de la competencia, han comercializado bujes para esta aplicación a menor precio, pero con calidad inferior a la de los bujes fabricados por MVM. Es por esto que MVM Ltda. pretende incorporar una nueva referencia en los bujes para ventiladores, que tenga un menor costo de producción, pero que sus propiedades mecánicas y tribológicas, sean similares a las de los bujes de referencia estándar CT (500 y 1000). Como una opción principal para la nueva referencia a incorporar, la empresa ha contemplado una mezcla de Cobre y Zinc llamada MVM300 (92%Cu y 8%Zn). Estos bujes tienen un menor costo ya que el material adicionado al cobre es más económico, según lo reportado por la LME que para el primer semestre del 2018, el Zinc tuvo un valor promedio de 2647.00 dólares por tonelada9. Pero antes de comercializarlos, es necesario verificar su calidad con respecto a los bujes de referencia, ya que la calidad y durabilidad es el principal atractivo entre los clientes.

En este trabajo se analizarán bujes para ventiladores de diferentes referencias, elaborados a partir de material en polvo para determinar sus propiedades mecánicas, microestructurales y tribológicas, como la dureza, el coeficiente de fricción, y la tasa de desgaste por deslizamiento para posteriormente compararlos y determinar cual posee las mejores propiedades, y analizar su posible participación en el mercado, o la descontinuación en el mismo.

Por lo anterior este trabajo de investigación pretende responder a la siguiente pregunta: ¿es posible que los bujes autolubricados para ventiladores, fabricados con la mezcla MVM 300 (92%Cu y 8%Zn) puedan competir mecánica y tribológicamente con los bujes fabricados con material importado premezclado de referencia estándar (CT500 y CT1000)?

9 LME (London Metal Exchange). “LME ZINC OFFICIAL PRICES” [en línea]. Londres, Inglaterra: LME. 2018. [consulta: 8 de Julio de 2018]. Disponible en https://www.lme.com/Metals/Non-ferrous/Zinc#tabIndex=0

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3. JUSTIFICACIÓN

El grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales GCIM ha tenido a su cargo diferentes investigaciones, entre ellas se encuentra el tema de Materiales en polvo, a través de un proyecto financiado por Colciencias, la Universidad del Valle, la Universidad Santiago de Cali y la Universidad Autónoma de Occidente, en el que se diseñaron y fabricaron dos molinos de bolas para realizar aleamiento mecánico. También se ha publicado un libro por parte del grupo de investigación, titulado “Fundamentos y Aspectos generales del aleamiento mecánico”, en el que se encuentran plasmados diferentes estudios dirigidos en esta línea de investigación10.

Durante la transición del proceso de manera tradicional es decir fundición, al proceso a través de metalurgia de polvos, para la fabricación de diferentes tipos de bujes, asientos de válvulas y guías de válvulas, por la empresa MVM Ltda., se determinaron los posibles materiales en polvo, con los cuales se podría fabricar las piezas requeridas, esta investigación estuvo liderada por el grupo GCIM de la Universidad Autónoma de Occidente. Dentro de los materiales adecuados para la conformación de las piezas a través de la metalurgia de polvos, se encuentran las aleaciones de bronce, con adicción de Estaño o Zinc. Este tipo de aleaciones, gracias a sus propiedades mecánicas, resiste esfuerzos y temperaturas, similares a los que debe de soportar la pieza en operación.

La comercialización de equipos de ventilación para el hogar u oficinas, ha tenido un crecimiento a nivel nacional del 5.4% en los últimos 2 años (2016 - 2017) y a nivel mundial obtuvo un crecimiento del 19.4% según la fuente estadística Euromonitor Internacional11. La producción de piezas y componentes para ventiladores ha registrado un gran aumento; por tal motivo la investigación cobra importancia, ya que en un creciente mercado, la competitividad de la empresa dependerá principalmente de la relación costo/beneficio en sus productos.

10 JARAMILLO SUAREZ, Héctor Enrique; ALBA de SANCHEZ, Nelly Cecilia y AVILA, Julián Arnaldo. Fundamentos y aspectos generales del Aleamiento Mecánico. Segunda edición. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Grupo de Investigación en Ciencia e Ingeniería de los materiales, 2011. 96 p. ISBN: 9789588713069

11 EMI (Euromonitor Internacional). “Cooling Fans” [en línea]. Inglaterra: EMI. 2018. [fecha de consulta: 3 de Abril de 2018]. Disponible en http://ezproxy.uao.edu.co:2079/portal/statisticsevolution/index#.

http://ezproxy.uao.edu.co:2079/portal/statisticsevolution/index

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Al disminuir los costos de producción para los bujes, la empresa MVM Ltda. podrá ofertar a sus clientes, bujes con precios más cercanos a los que produce la competencia, e inclusive inferiores a estos, siempre y cuando la calidad del producto se mantenga. Un notable ejemplo, es la introducción de las referencias MVM500 y MVM1000, en las cuales hubo un ahorro significativo en los costos de producción. Aunque siguen teniendo un costo mayor, que otros bujes fabricados por otras empresas productoras de este tipo de piezas. Es por esta razón que introducir una nueva referencia de bujes (MVM300) la cual sea un poco más económica, es de gran viabilidad, ya que no solo tendría una buena aceptación en el mercado por costos, sino que también presentan una apariencia que puede resultar muy llamativa para los clientes (coloración y brillo superficial).

Si bien disminuir los costos de producción es de gran importancia, no se puede dejar a un lado la calidad, esta representa el principal atractivo entre los clientes, ya que de la producción y comercialización de los bujes, dependen muchos lotes de dispositivos de ventilación (ventiladores). La falla de los bujes, o el mal funcionamiento de este, puede resultar en el daño de un dispositivo, con lo que los productores de ventiladores se verían afectados, y de igual manera el productor de los bujes. Por tan razón validar las características tribológicas y mecánicas toma vital importancia.

Si bien la empresa MVM Ltda. reduce costos, en los bujes que fabrica, implementando una nueva referencia con un material diferente. Los productores de equipos de ventilación también podrán reducir costos significativos en la fabricación de los mismos.

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4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Determinar que elemento, Estaño o Zinc, otorga las mejores propiedades mecánicas y tribológicas a bujes de cobre fabricados mediante proceso de pulvimetalúrgia que se puedan comparar con bujes importados.

4.2 OBJETIVO ESPECIFICO

• Fabricar las muestras de las referencias CT500, CT1000 y MVM300, usando material en polvo compuesto por (95%Cu 5%Sn), (90%Cu 10%Sn), (92%Cu 8%Zn) respectivamente.

• Analizar el efecto que produce la adición de estaño (10% y 5%) o zinc (8%) en la microestructura, propiedades mecánicas y tribológicas de bujes auto lubricados para electrodomésticos.

• Encontrar las pérdidas de masa que se presentan al incrementar la temperatura similar a la de operación de los bujes mediante TGA.

• Establecer si hay diferencias estadísticamente significativas del efecto del Estaño o Zinc, en las propiedades mecánicas analizadas, y discutirlas tanto para la microestructura de los materiales, como los mecanismos de desgaste identificados.

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5. MARCO TEÓRICO

5.1 METALURGIA DE POLVOS

La metalurgia de polvos MP, es un proceso de conformación metálica en el que se producen piezas a partir de polvos metálicos; los polvos se compactan para darles una forma definida y deseada. Posteriormente se calientan para ocasionar la unión de las partículas en una masa dura y rígida. La compresión, llamada prensado, se realiza en una máquina tipo prensa cuyas herramientas se diseñan específicamente para la pieza a producir. El tratamiento térmico, llamado sinterizado se realiza a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal.12

Dentro del proceso de producción de piezas a través de la metalurgia de polvos, existen cuatro subprocesos: caracterización del polvo, mezclado de los polvos metálicos, compactado y sinterizado. Estos sub-procesos se pueden observar en la figura 2.

Figura 2 Sub-procesos para producción de piezas a partir de MP

Fuente: MVM Ltda. Proceso de fabricación de piezas a partir de metalurgia de polvos [EN LINEA]. Cali, Colombia: MVM Ltda. 2017. [Consultado 30 noviembre 2017]. Disponible en: http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html.

12 GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna. tercera edición. Naucalpan de Juárez: Pearson Prentice Hall, 2007. Pág. 927. ISBN: 9789701062401

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5.2 MEZCLADO

Para lograr buenos resultados en la compactación y en el sinterizado, los polvos metálicos necesitan homogeneizarse perfectamente antes del proceso. Para ello, se deben mezclar. El mezclado se refiere a la combinación de polvos de la misma composición química, con diferentes tamaños de partículas. Este proceso se realiza con el fin de obtener uniformidad, y el adecuado proceso cuando intervienen diferentes materiales.13

5.3 PRENSADO

En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el que punzones opuestos compactan el polvo contenido en un dado o matriz o en un molde. Las prensas que se usan son de acción hidráulica o neumática. El objetivo de la compactación es obtener la forma, densidad y contacto entre partículas necesarios para que la pieza tenga la resistencia suficiente y se pueda continuar el proceso. Al resultado de este proceso se le llama pieza en verde.

5.4 SINTERIZADO

Después de prensado, el compactado verde carece de fuerza y resistencia, se desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno con atmósfera controlada, hasta una temperatura menor al punto de fusión, pero lo suficientemente alta para permitir la adhesión de las partículas individuales, incrementando su resistencia14.

5.5 REPRENSADO

Para restituir la precisión dimensional, puede hacerse un segundo prensado, esta operación es llamada reprensado. La pieza es colocada en una matriz y se somete a una presión igual o mayor a la del prensado. Para lo cual se presenta un leve

13 MORRAL, F.R; Jimeno E; Molera P. Metalurgia General. Tercera edición. Málaga España: Reverte SA, 2013. Tomo 2. ISBN-13: 9788429160734

14 GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna. tercera edición. Naucalpan de Juárez: Pearson Prentice Hall, 2007. P. 929. ISBN: 9789701062401

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corrimiento plástico, resultando un producto uniforme en lo relativo a dimensiones y nitidez de detalles15.

5.6 APLICACIONES DE LA PULVIMETALURGIA

Una de sus aplicaciones más importantes es el sector automotriz, donde se aplica ampliamente en casquillos, bielas, cigüeñales, distribuidores, entre otros; aunque sus aplicaciones se dan para todos los sectores industriales y domésticos, en donde ciertas piezas, requieren de altas propiedades mecánicas, para darle mayor vida útil a los elementos que prestan el servicio. Claro ejemplo de ellos, son los bujes, los cuales requieren altas propiedades tribológicas y mecánicas para su adecuada operación, y mayor vida útil.

5.7 BUJES

Los bujes son elementos de apoyo que facilitan la rotación del eje, es decir, le brindan la protección al eje para girar libremente. Igualmente, los bujes ayudan a la reducción de las vibraciones producidas por el movimiento, una especie de acción amortiguadora del movimiento del eje. Y en ocasiones sirven de sello en determinadas aplicaciones. En la figura 3 se observan diferentes clases de bujes autolubricados obtenidos de diferentes materiales bajo el proceso de metalurgia de polvos.

15 TEMPLE BLACk, J; Kohser, E. Materiales y Procesos de Fabricación. 2nd ed. Barcelona, España: Reverte SA. 2005. 379 p. ISBN: 9788429148220

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Figura 3 Bujes autolubricados fabricados mediante proceso de pulvimetalúrgia.

Fuente: MVM Ltda. Piezas fabricadas a partir de metalurgia de polvos [EN LINEA]. Cali, Colombia: MVM Ltda. 2017. [Consultado 30 noviembre 2017].Disponible en: http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html.

5.8 MATERIALES UTILIZADOS EN BUJES AUTOLUBRICADOS

Gracias a la metalurgia de polvos, se pueden obtener materiales autolubricados a partir de diferentes matrices, y gran variedad de aportes. Para las aplicaciones que la empresa MVM Ltda. maneja en la línea de electrodomésticos, se fabrican básicamente bujes con matrices de cobre. El material de aporte utilizado, dependerá de las propiedades requeridas para cada aplicación. Algunos de los aportes más comunes utilizados son: manganeso, cobre, arsénico y zinc.

Para aplicaciones como la de los bujes para ventiladores, actualmente MVM Ltda. fabrica estos elementos con material de aleación estaño, y se planea introducir zinc a la matriz de cobre para generar una nueva referencia.

5.9 PRUEBA DE DUREZA

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones físicas como la penetración, la abrasión el rayado, y deformaciones plásticas. La dureza es medida a través de un instrumento llamado durómetro, el ensayo consiste en penetrar una muestra con un indentador. Como existen diferentes escalas, dependiendo del

Buje para ventilador

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indentador, se debe realizar el análisis, según la escala del durómetro utilizada. Las escalas más conocidas son dureza Rockwell (HR), dureza Brinell (HB) y dureza Vickers (HV). Para este trabajo se medirá la dureza de los bujes mediante la prueba Vickers.

En el ensayo de dureza vickers, un penetrador de diamante de geometría piramidal es forzado a penetrar el material. La marca resultante es observada en el microscopio y se miden sus diagonales, estas medidas son transformadas en un valor de dureza por el durómetro.

5.10 TRIBOLOGIA

Ciencia y tecnología que estudia la interacción de las superficies en movimiento relativo, así como los temas y prácticas relacionadas.

Antes de detallar los principales mecanismos que interactúan en una interfase tribológica en movimiento relativo se debe tener en cuenta que cuando dos superficies se ponen en contacto se puede definir un área aparente de contacto y un área real de contacto.

Tal y como muestra la Figura presente a continuación. El área real de contacto está formada por la suma de todos aquellos puntos discretos donde las dos superficies están en contacto a distancias atómicas. Y la aparente es aquella que sólo tiene en cuenta la superficie total de los cuerpos en contacto.

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• Fricción La fricción es la resistencia o oposición al movimiento de dos cuerpos que se encuentran en contacto. Es decir, la fuerza tangencial resistiva que se crea cuan que la fricción no depende del material, es una respuesta del sistema a una determinada acción.

• Desgaste Se define desgaste como el proceso de remoción de material debido al movimiento relativo de esta superficie respecto otra en contacto. En dicho proceso el material puede ser removido de la superficie y expulsado fuera de la región de contacto. También puede ser transferido a la otra superficie y quedarse adherido a ella o romperse. En el caso de que se produzca una transferencia de material la pérdida de masa neta de la interface es cero, siendo una o ambas superficies desgastadas.

5.11 DESGASTE PIN ON DISK

Es una prueba útil para medir la tasa de desgaste, el coeficiente de fricción entre superficies sólidas en movimiento relativo, determinar y comparar la calidad superficial. El procedimiento para llevar a cabo la prueba de desgaste es: lavado de la pieza con un compuesto químico que puede ser, acetona, alcohol, entre otros dependiendo del material y el respectivo pesaje a la muestra, ajuste de altura del vástago porta masas, ajuste de las muestras, determinación de los parámetros del ensayo como carga normal, velocidad de deslizamiento y diámetro del balín, ejecución del ensayo y por último, pesaje de la pieza una vez finalizada la prueba con el fin de determinar su pérdida de masa16.

La Figura 4 muestra el esquema de una máquina Pin on Disk; consta de un brazo al cual va unido un porta-pin, un accesorio giratorio denominado porta muestras, un dinamómetro que mide la fuerza de fricción y un sistema de control, medida y registro automatizado por ordenador.

16 GULIAEV, A.P. Metalografía. segunda edición. Moscú, Rusia: Mir Moscu. 2008. 263 p. ISBN: 9785030010748

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Figura 4 Esquema máquina de ensayos Pin on Disk.

Fuente: KHALLADI, A. y ELLEUCH, K. Pin-On-Disk. [Imagen]. Tribological Behavior of Wheel-Rail Contact Under Different Contaminants Using Pin-On-Disk Methodology. ASME digital collection. 2016. [Consultado 30 noviembre 2017].Disponible en Internet: http://tribology.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2505409&resultClick=3

5.12 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO SEM

Es una técnica de análisis superficial, que consiste en enfocar sobre una muestra un fino haz de electrones y que permite obtener información morfológica, topográfica y composicional de las muestras produciendo imágenes de alta resolución de hasta 3 nm. Además, con una sonda EDS equipada en el dispositivo es posible realizar un estudio de la composición química del material o muestra a analizar17.

17 Consuelo Gobern, M. Técnicas de análisis y caracterización de Materiales. En: revista de metalurgia Madrid, España: Consejo superior de investigaciones científicas, junio 2012, nro. 41. 56- 57 p.

http://tribology.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2505409&resultClick=3

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5.13 ANÁLISIS TERMICO

El análisis térmico es un conjunto de técnicas analíticas que estudian el comportamiento térmico de los materiales. Cuando un material se calienta o se enfría, su estructura y su composición química pueden sufrir cambios tales como fusión, sublimación, solidificación, cristalización, descomposición, oxidación térmica o sinterización.

En general estos cambios se pueden estudiar midiendo la variación de distintas propiedades de la materia en función de la temperatura, el tiempo y una atmósfera determinada.

• Termogravimetria

La técnica de Análisis Termogravimétrico, (del acrónimo inglés TGA, Thermal Gravimetric Analysis), mide la cantidad y rapidez del cambio en peso de una muestra en función de la temperatura y/o del tiempo en una atmósfera controlada. De manera general, permite realizar medidas para determinar la composición de los materiales y predecir su estabilidad a temperaturas de hasta 1 500 ºC. Esta técnica permite caracterizar materiales que presentan pérdida o ganancia de peso debido a la descomposición, oxidación o deshidratación.

Dentro de las aplicaciones que se pueden encontrar para la termogravimetria están:

• Estabilidad térmica de materiales.

• Composición de un sistema multicomponente. • Estudio de vida media de diversos productos. • Estudio de descomposición cinética. • Efecto de atmósferas reactivas y/o corrosivas en distintos materiales (estabilidad

frente a oxidación).

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En la figura 5, se muestra el esquema de un analizador termogravimétrico común, en él se encuentran señalados los principales componentes que complementan el equipo.

Figura 5 Esquema de la máquina para ensayos TGA y sus reacciones quimicas.

Fuente: Widmann, Georg. Interpreting TGA Curves. En: information for users of METTER TOLEDO termal analysis systems EEUU: UserCom, 2011, nro. 13. 2-4 p.

A partir de un termograma, la cuantificación de la pérdida o ganancia de masa para un cierto cambio puede hacerse mediante proyecciones horizontales sobre el eje de masa, pero en muchos casos (transformaciones simultáneas o sobrepuestas) la apariencia del termograma no permite una determinación gráfica directa; además, no siempre es fácil, establecer los puntos de inflexión de las curvas, con lo cual, no es simple localizar la temperatura de transición. Entonces se recurre a la representación de la derivada de la masa en función de la temperatura.

El análisis termogravimétrico derivativo (ATGD), que se sobrepone al análisis termogravimétrico, reviste gran importancia ya que permite establecer temperaturas, determinar los puntos de velocidad máxima de pérdida de masa y con ello, realizar estudios cinéticos de las transformaciones térmicas. Por lo anterior, es claro que las aplicaciones típicas del análisis térmico gravimétrico se relacionan

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con la evaluación de la estabilidad química de las sustancias, y el efecto de la naturaleza del entorno.

Las reacciones químicas que se pueden registrar en un termograma se muestra en la figura 5, en donde el inciso a representa descomposición térmica con formación de productos de reacciones volátiles; el b representa corrosión y oxidación en metales(formación de óxidos no volátiles); el inciso c representa combustión de hollín durante la transición de un gas a otro; el d es una descomposición en escalones múltiples; y finalmente la letra e muestra una descomposición explosiva con efecto de retroceso.

5.14 PRUEBA DE TUKEY

Según Montgomery se utiliza en estudios de modelos unifactoriales equilibrados después de un análisis de varianza en el que se ha rechazado la hipótesis nula de la igualdad de las medias de los tratamientos y se requiere probar todas las comparaciones de las medias por pares.

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6. DETALLES EXPERIMENTALES

6.1 FABRICACION DE LA MUESTRAS

Para la fabricación de los bujes que se estudiaron, se siguió el mismo proceso que MVM Ltda. realiza en su línea de producción. Esto con el fin de obtener datos lo más próximos a la realidad. Este proceso se realizó para cada una de las mezclas del material en polvo, dentro de las instalaciones de la empresa MVM Ltda. y en compañía de un operario suministrado por la empresa encargado de la manipulación de los diferentes equipos.

6.1.1 Materiales

Los bujes de referencia CT500 (95%Cu 5%Sn) y CT1000 (90%Cu; 10%Sn) son fabricados con material en polvo, de origen estadounidense, mezclado por el fabricante del material. Mientras que para las referencias MVM500 y MVM1000 se utilizan los mismos materiales que para las referencias CT500 y CT1000, producidos por el mismo fabricante, pero la mezcla de los componentes es realizada en la planta de MVM Ltda.

Mientras que los bujes que se intentan introducir como nueva opción en el mercado, contienen (92%Cu y 8%Zn), el material es de origen extranjero, pero los componentes del mismo, son mezclados por MVM Ltda. en planta.

6.1.2 Mezclado

Este proceso se realizó exclusivamente para las referencias MVM (300, 500 y 1000), ya que los materiales en polvo que componen la mezcla, son importados por separado, a diferencia de las referencias CT (500 y 1000) las cuales son mezcladas desde la planta de fabricación de los polvos. La mezcla fue realizada con ayuda del equipo mostrado en la figura 6 en el cual se introdujeron los polvos metálicos en las proporciones adecuadas para cada referencia.

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Figura 6 Equipo mezclador de polvos de la empresa MVM Ltda.

6.1.3 Prensado

Una vez se obtiene mayor uniformidad en las mezclas en polvo, se procedió a compactarlas mediante un equipo que suministra el material en polvo a través de una tolva, y posteriormente lo prensa en una matriz con la forma preliminar del buje. A la pieza resultante de este proceso se le llama pieza de estado en verde. A continuación en la figura 7 se muestra dicho proceso realizado por el operario encargado de la manipulación del equipo, junto a los bujes en estado verde.

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Figura 7 Compactadora de polvos metálicos de MVM Ltda.

6.1.4 Sinterizado

Después de obtener una preforma de los bujes en la prensa, fueron llevados al horno a través de una cinta transportadora. En el momento en que los bujes ingresan al horno, se someten a una temperatura de precalentamiento con el fin de que el diferencial de temperatura entre los bujes en verde y el horno no sea tan grande y se arruine el proceso tal como lo muestra la figura 8. Una vez que los bujes son precalentados, la cinta transportadora los conduce a la sección del horno que se encuentra a la temperatura de sinterización. Finalmente, los bujes son enfriados progresivamente con un sistema de enfriamiento propio del horno, y al salir a través de la cinta transportadora, son depositados en un recipiente. Cada una de las referencias a estudiar fueron fabricadas por este proceso, y los parámetros utilizados para la sinterización se encuentran en la tabla 2 mostrada a continuación.

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Tabla 1 Parámetros de sinterización de los bujes.

Parámetros CT500 MVM500

CT1000 MVM1000

MVM300

Temperatura de sinterización (°F) 1530 1530 1650 Velocidad de la cinta transportadora (In/min)

6 6 3

Atmosfera 75% Hidrogeno; 25%Nitrogeno

Figura 8 Entrada de los bujes en verde al horno Sinterizador de MVM Ltda.

6.1.5 Vibrado

Para dar una mejor apariencia superficial a los bujes, estos son introducidos en una tina la cual tiene un sistema hidráulico-mecánico que permite pequeños movimientos, lo cual resulta en el choque de los bujes unos con otros, generando una superficie más limpia, uniforme y brillante. En la figura 9 se aprecia un lote de los bujes a los que les realiza el proceso de vibrado.

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Figura 9 Vibradora industrial de MVM Ltda.

6.1.6 Reprensado

Para darle las medidas y acabados finales a los bujes, se realizó el proceso de reprensado, el cual consiste en poner cada uno de los bujes en una prensa mostrada en la figura 10, la cual tiene una matriz con las medidas finales de los bujes.

Figura 10 Compactadora de MVM Ltda. Para el reprensado.

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6.2 PREPARACION DE LAS MUESTRAS

Para realizar un adecuado ensayo a los bujes en estudio y conseguir que sea más fácil su manejo y manipulación se lleva a cabo todo un proceso de preparación y acondicionamiento. Una vez los bujes se encuentran en estado final a analizar, se llevan a cabo las siguientes etapas, las cuales son ejecutadas dentro de los laboratorios de la Universidad Autónoma de Occidente.

6.2.1 Cortado

Se realizó el corte a los bujes de manera perpendicular a su eje de referencia, con el fin de obtener muestras con forma de disco y así aprovechar la geometría de las muestras para la realización de los diferentes. Este proceso, se realizó con ayuda de una cortadora de precisión con disco de punta de diamante perteneciente al Grupo de Investigación en ciencia e Ingeniería de Materiales GCIM mostrada en la figura 11, junto a ella se encuentra el esquema de corte para los bujes.

Figura 11 Cortadora de precisión BUEHLER IsoMet low speed saw, y esquema de corte para los bujes.

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6.2.2 Montaje de la probeta

Debido a las reducidas dimensiones de las muestras después de realizar el corte, se procede a encapsularlas en baquelita por medio de una encapsuladora perteneciente al laboratorio de materiales de la Universidad Autónoma de Occidente. Esto facilitó el manejo de la muestra, además de la sujeción de la misma en el portamuestra de los diferentes equipos. Una de las caras de la probeta formó parte de una de las caras exteriores de la capsula, cara en la que posteriormente se realizaron los ensayos experimentales tal y como se muestra en la figura mostrada a continuación.

Figura 12 Encapsuladora y muestra encapsulada.

Luego de encapsular la muestra, se procede a preparar la superficie, desbastando con lijas, para posteriormente pulir la superficie con paños húmedos y dar acabado tipo espejo a la superficie.

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Para la prueba de micro dureza a los bujes autolubricados, se utilizó un durómetro equipado con un indentador Vickers de marca Zwick. La prueba fue realizada bajo la norma ASTM e384 “Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials”18. A la probeta, se le tomaron medidas de dureza en diferentes lugares de manera aleatoria, con una distancia considerable entre cada indentación, con el fin de no alterar las mediciones, y se determinó el valor promedio de HV para cada una de las referencia de los bujes.

Figura 13 Durómetro para dureza Vickers.

18 ASTM E384-17, Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017

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6.4 PRUEBA PIN ON DISK

Los parámetros de operación utilizados para el ensayo de desgaste, registrado en la tabla 3 surgieron a través de la norma ASTM G99 “Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus”, y de parámetros reportados en estudios a materiales de este tipo por Rodríguez A.19 en su trabajo de investigación.

Tabla 2. Parámetros de ensayo - Pin on Disk

Parámetros Valor Radio de recorrido (mm) 5,5 Recorrido total (m) 1000 Velocidad (rpm) 300 Peso aplicado a la muestra (N) 5

19 RODRÍGUEZ Andrés. Análisis de propiedades mecánicas y tribológicas de la aleación pulvimetalúrgica de bronce. Para optar por el título de ingeniero mecánico. Cali, Colombia: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingeniería. Departamento de energética y mecánica. 2015. 26 p.

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Para realizar el ensayo cada una de las probetas encapsuladas en baquelita, fue acoplada en el porta muestra a través de un sistema mecánico de sujeción que trae incorporado el equipo, y ajustada lo suficiente para que las muestras no se deslicen en el momento de iniciar la prueba experimental. Para generar ensayos con mayor precisión, el balín fue limpiado en una tina de ultrasonido antes de realizar cada una de las pruebas.

Figura 15. Equipo de ultrasonido y balanza analítica, laboratorio GCIM, UAO

Figura 14. Posición de la probeta en el porta muestras de la máquina Pin on Disk

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Por medio de la prueba Pin on Disk, se evaluó la resistencia al desgaste en los bujes para ventiladores. Se obtuvieron valores de coeficiente de fricción para cada una de las probetas de los diferentes materiales. Se midió la pérdida de masa que sufrió cada una de las muestras a través de una balanza de precisión realizando un comparativo entre la masa de las muestras antes y después de realizar el ensayo.

Por último se tomaron imágenes de muestra, y del rastro de la huella generada por el balín, a través de un estereoscopio mostrado en la figura 16.

Figura 16. Estereoscopio marca DIGIMESS y microscopio 3D Laboratorio

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6.5 MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO SEM

El ensayo SEM se le realizó a una sección de los bujes, con el fin de observar la microestructura presente en las muestras. El ensayo se realizó acorde a las normas ASTM E986-97 “Standard Practice for Scanning Electron Microscope Beam Size Characterization”, y ASTM E1508-98 “Standard Guide for Quantitative Analysis by Energy-Dispersive Spectroscopy”. El equipo utilizado se muestra en la figura 18.

Como las muestras se encontraban encapsuladas en baquelita, se aplicó una delgada película de oro para permitir la conductividad entre el portamuestra y la muestra. Este proceso se realizó con un aplicador de recubrimientos mostrado en la figura 17.

Figura 17 equipo SEM y sistema para aplicación de recubrimiento.

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6.6 CARACTERIZACIÓN TÉRMICA

6.6.1 Análisis Termogravimetrico

La caracterización térmica de los materiales objeto de estudio se realizó en el laboratorio de caracterización térmica de la UAO, utilizando un analizador termogravimétrico, mostrado en la figura 18.

Las muestras seleccionadas para realizar el estudio de descomposición térmica, fueron obtenidas a partir de los diferentes materiales en polvo que el fabricante de los bujes (MVM Ltda) utiliza para la conformación de estos. Las tres mezclas (95%Cu 5%Sn; 90%Cu 10%Sn; 92%Cu 8%Zn) de materiales se introdujeron en diferentes capsulas de aluminio y posteriormente se sellaron.

Figura 18 Analizador Termogravimétrico TGA Q500.

FUENTE: Grupo de investigación en Nuevos Sólidos con Aplicación Industrial, GINSAI.

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Una vez sellada la capsula portamuestra, se ubicó en la plataforma del equipo y a través del software se le indicó al analizador que ubicara la capsula en la balanza por medio de un sistema electromecánico. El ensayo se realizó con el fin de simular el proceso de sinterización por lo que se definieron las variables de ensayo registradas en la tabla 4.

Tabla 3 variables para prueba TGA

Variable TGA Tasa calentamiento (°C/min) 20 Masa (mg) 3 Temperatura inicial (°C) 25 Temperatura final (°C) 870

Atmósfera 75%Nitrógeno 25%oxigeno

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7. RESULTADOS Y ANÁLISIS


Como resultado de las indentaciones y las tomas de datos realizados con el durómetro Vickers se presentan las durezas (HV) para los diferentes materiales en la tabla 5.

Tabla 4 Valores de dureza Vickers (HV) de los bujes.

Referencias de Bujes Prueba CT500 MVM500 CT1000 MVM1000 MVM300

P1 36 37 42 45 27 P2 41 38 44 41 28 P3 37 36 46 42 26 P4 37 37 44 42 26

Promedio 38 37 44 43 27 Desviación estándar 2,33 0,67 1,59 1,58 1,13

Se observa que el material con mayor dureza Vickers (HV) es el de referencia CT1000, seguido con un valor muy cercano por el material de referencia MVM1000, lo cual era esperado por la similitud de proporciones en los materiales base y en los de aporte. De igual forma las referencia CT500 y MVM500 tuvieron valores de dureza muy cercanas entre ellas, pero como se esperaba, menores comparadas con las referencias CT1000 y MVM1000. El menor valor de dureza lo obtuvo la mezcla MVM300, y con gran diferencia respecto a las otras mezclas. Para corroborar estadísticamente lo dicho anteriormente, se validaron los supuestos sobre el error de los modelos propuestos (normalidad y homogeneidad de varianzas), a niveles de significancia mayores del 10% (anexo A), estos datos se obtuvieron con la ayuda del software MINITAB.

En la tabla 015 se muestra el análisis de varianza de la dureza, en la que se encontró que la variación está siendo explicada por los efectos controlados que son los tipos de materiales, dado que la suma de cuadrados de los tipos de materiales (SC: 734,9), es mayor que la suma de cuadrados de los errores (35,4), por tanto el experimento estuvo bien controlado, valores que se ratifican con los R2.

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Tabla 5. Análisis de la varianza en la dureza (HV).

Fuente GL SC

Ajust. MC

Ajust. Valor F Valor P Tipo de muestra

4 734,9 183,726 77,86 0,000

Error 15 35,4 2,36 Total 19 770,3

En la Tabla 6, también se encontró que existen diferencias significativas a un nivel de 0.000 (p-valor), por lo tanto se realizó una prueba postanova para determinar entre que tipos de material hay diferencias significativas. La Tabla 7 presenta las comparaciones por medio de la prueba Tukey entre los distintos tipos de cauchos vulcanizados en estudio a un nivel de significancia del 5%, en donde N son el número de muestras analizadas.

Tabla 6. Prueba Tukey (α= 0.05) - Tipo de Material y Dureza Vickers.

tipo de muestra N Media Agrupación CT1000 4 43,9722 A

MVM1000 4 42,6111 A CT500 4 37,8056 B

MVM500 4 37,0944 B MVM300 4 26,75 C

En la tabla 7, se muestra el número de ensayos realizados para cada material, su media, y la agrupación que relaciona las diferentes referencias. Por consiguiente las letras que no comparte una letra en su agrupación, son significativamente diferentes. Los materiales del grupo A corresponden a las referencias CT1000 y MVM1000, las cuales presentaron los mayores valores de dureza. Dicha agrupación quiere decir que para la dureza, no hay diferencias significativas entre estos materiales, indicando que es posible utilizar cualquiera de los dos materiales, ya que producen el mismo efecto sobre la dureza Vickers.

53

Los materiales pertenecientes al grupo B, corresponden a las referencias CT500 y MVM500, al estar dentro del mismo grupo, quiere decir que no hay diferencias significativas para la dureza entre estos dos materiales, por lo cual ambos producen el mismo efecto sobre la dureza Vickers. Finalmente la referencia MVM300, perteneciente al grupo C, presento los menores valores de Dureza Vickers, y presenta grande diferencias con respecto al resto de los materiales.

7.2 PRUEBA PIN ON DISK

7.2.1 Bujes CT500

Gráfico 1 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes CT500

En el grafico 1 se muestran el comportamiento de los cuatro ensayos realizados a los bujes de referencia CT500. Las pruebas 1, 2 y 3 tuvieron comportamiento similar, alrededor de los 50 metros de recorrido, hay un pico en donde el coeficiente de fricción para las pruebas 1 2 y 3, y tienden a estabilizarse en valores de 0,23; 0,28; y 0,26 respectivamente, a partir de los 80 metros de recorrido. Alrededor de los 200 metros de recorrido, el coeficiente de fricción para las tres pruebas, presenta un leve aumento de manera progresiva hasta estabilizarse al llegar a valores entre un rango de 0,3 y 0,43. Para la prueba 4, el grafico muestra un comportamiento similar al de las otras muestras, pero en este caso, el pico del coeficiente fricción dinámica, se

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 200 400 600 800 1000

Coef

icie

nte

de F

ricci

on µ

Recorrido (m)

P2

P1

P4

P3

54

dio alrededor de los 80 metros. Disminuye un poco el coeficiente de fricción, y alrededor de los 400 metros se estabiliza alrededor de 0,4 hasta el final de la prueba.

En la figura 19, se observan las huellas(A) dejadas por el pin sobre la muestra después de haber realizado el recorrido de los 1000 metros. Las imágenes fueron tomadas a los ensayos más representativos (P1, P2 y P3). Alrededor de las huellas se puede evidenciar material desprendido (B) durante el ensayo, lo que representa una disminución en la masa de la muestra.

Figura 19 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes CT500.

Un posible factor que genero dichas variaciones en el coeficiente de fricción, puede ser la generaciones de enlaces químicos entre las micro superficies de contacto entre el balín de acero, y el material que compone los bujes de esta referencia, este fenómeno puede ocasionar que se requiera mayor fuerza para producir el movimiento relativo entre ambos cuerpos, pero como se trata de acero inoxidable, el contenido de cromo en su composición, reduce en gran medida las posibilidades de que ocurra este fenómeno. Otro posible factor que podría explicar las variaciones en el comportamiento del coeficiente de fricción para cada prueba, pueden deberse a poca homogeneidad en el material, ya sea entre los componentes que constituyen la mezcla, o la porosidad propia de materiales pulvimetalurgicos.

Para evitar especulaciones, fue necesario analizar lo sucedido en el material a través de un microscopio, el cual genero imágenes 2d y 3D detalladas de la superficie del material después de ensayo, en la imagen 3D se puede la altura a través de una escala de colores, en donde el azul muestra los puntos más profundos, y el color rojo muestra los puntos más altos de la superficie del material.

A

B

P1 P2 P3

A

B

A

B

55

Al observar la micrografía presente en la figura 20, se evidencia material deformado plásticamente a consecuencia del contacto y el constante pasó del balín a los costados de la huella. También la micrografía revela deformaciones plásticas en medio de la huella, estas deformaciones se deben en gran medida a lo blando que es el material, en comparación al balín de acero inoxidable; a la carga aplicada, y al constante paso del balín sobre la huella. Después de analizar las micrografías, se encuentra que las variaciones del coeficiente de fricción dinámico registradas en el grafico 1 son posiblemente resultado de los picos y valles generados a causa de deformaciones plásticas evidenciadas en medio de la huella.

También la figura muestra las marcas producidas por el material desprendido, lo que representa un posible desgaste por abrasión a tres cuerpos, este fenómeno se da por el aumento de la dureza en la superficie del material a causa del constante paso del balín, las partículas superficiales de mayor dureza se desprenden, y al ser un sistema cerrado (no hay remoción del material desprendido), las partículas duras, se interponen en la interfaz balín-huella generándose arado en la huella. Este tipo de desgaste corrobora las tasas de pérdida de masa presentes en los ensayos, y el aumento progresivo del coeficiente de fricción.

56

Figura 20 Micrografía a 160X

Deformación plástica Deformación plástica

Arado

Deformación plástica Deformación plástica

57

7.2.2 Bujes CT1000

En el ensayo de desgaste (Pin on Disk), realizado a los bujes CT1000, se presenta un comportamiento similar en sus cuatro repeticiones, la prueba 1, muestra el coeficiente de fricción dinámico más alto durante todo el ensayo en comparación con las otras tres pruebas con una tendencia a valores cercanos a 0,35. Las pruebas 3 y 4 obtuvieron valores muy cercanos para el coeficiente de fricción dinámico, se mantuvieron casi estables en un rango entre 0,21 y 0,24. Con los menores valores de coeficiente de fricción dinámico, la prueba 2 tuvo una ligera disminución del coeficiente pero luego retorna a su valor inicial (0,15 aproximadamente) y se mantuvo casi constante hasta el final del ensayo. Esto puede ser evidenciado en el grafico 2. Aunque se trata del mismo material, estas diferencias entre las pruebas, puede deberse en gran medida a poca homogeneidad en la porosidad de las diferentes muestras, ya que dependiendo de la porosidad se tienen mayor o menor coeficiente de fricción. La estabilidad de cada una de las pruebas, puede deberse en gran medida al porcentaje de estaño presente en la mezcla (10%).

Gráfico 2 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes CT1000

Desde el inicio del ensayo, se observó como el pin de acero, va generando una huella de recorrido, y a su vez el pin y la muestra, empezaron a ser recubiertos por un material metálico en polvo, proveniente de la muestra. Este desgaste, provoca que haya un aumento en el área de contacto entre el pin y el material, por lo que el coeficiente de fricción va a aumentar progresivamente, en una tasa muy baja.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 200 400 600 800 1000

Coef

icie

nte

de F

ricci

on µ

Recorrido (m)

P1

P4P2

P3

58

Figura 21 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes CT1000

En la figura 21 se observa la huella dejada (A) por el pin después de su recorrido por la muestra, en los ensayos más representativos para los bujes CT1000 (P2, P3 y P4). Alrededor de la huella, se encuentra depositado parte del material desprendido (B) durante del ensayo de desgaste.

Al analizar la micrografía presente en la figura 22, se observó una huella de menor tamaño, hubo presencia de deformación plástica, pero no lo suficiente como para desestabilizar los valores de coeficiente de fricción a lo largo del recorrido. En la huella se aprecia un arado generado por partículas posiblemente desprendidas de la superficie del material, estas partículas al adquirir mayor dureza por el constante paso del balín por la superficie, y al mantenerse dentro del sistema tribológico, penetran al material más blando, en este caso a la muestra.

P2 P3 P4

A

B

A

A B

B

59

Figura 22 Micrografia a 160X

7.2.3 Bujes MVM500

Gráfico 3 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes MVM500

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 200 400 600 800 1000

Coef

icie

nte

de fr

icci

on µ

Recorrido (m)

P4

P2P1

P3

Arado

60

El grafico 3 muestra un comportamiento similar para el inicio de todos los ensayos, hasta los 240 metros aproximadamente. En donde las pruebas 1 y 2 se mantuvieron constantes hasta finalizar el ensayo, con valores de coeficiente de fricción dinámico entre 0.21 y 0.24. Mientras que para la prueba 3, el coeficiente de fricción dinámico se estabilizo al igual que las pruebas 1 y 2 alrededor de los 0.23, pero a los 480 metros de recorrido hubo un aumento progresivo del coeficiente el cual llego hasta 0.34. Finalmente para la prueba 4, después de los 240 metros de recorrido, el coeficiente de fricción dinámico empieza a variar entre un rango de 0.26 y 0.34 y no logra mantenerse estable en un valor determinado.

En la figura 23 se observan imágenes estereoscópicas tomadas a tres de las cuatro muestras de los bujes MVM500 (P2, P3 y P4). Se puede observar la huella del balín sobre la superficie de material (A), y el material depositado a sus costados (B).

Figura 23 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes MVM500.

Las variaciones entre las pruebas pueden deberse a que el material no se encuentra homogéneo en las probetas, por lo menos para las probetas de los ensayos 3 y 4 que tuvieron diferentes alteraciones a lo largo del recorrido. Esto es corroborado por los ensayos 1 y 2, los cuales después de estabilizarse se mantuvieron casi constantes y en valores muy cercanos hasta finalizar la prueba, posiblemente por mayor homogeneidad en la mezcla del material.

P1 P2 P3

A

A A

B

61

La figura 24 muestra una micrografía tomada al material luego del ensayo, y se observa presencia de abrasión causada por las partículas del material desprendido, lo que justifica la alta pérdida de masa, y las variaciones en el coeficiente de fricción.

Figura 24 Micrografia a 160X

Arado

Def. Plástica

62

7.2.4 Bujes MVM1000

Gráfico 4 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes MVM1000

Al analizar las grafica de coeficiente de fricción vs recorrido mostradas en el gráfico 4 se puede observar que los 4 ensayos presentaron igual comportamiento, los datos de coeficiente de fricción para las diferentes muestras estuvieron muy cercanos, lo que quiere decir mayor homogeneidad en el material. El coeficiente de fricción para este material, inició en un rango entre 0,23 y 0,25, estos valores se mantuvieron casi estables, ya que la variación del coeficiente durante el recorrido fue muy leve. Esta estabilidad se debe en gran medida al porcentaje de estaño dentro de la mezcla (10%), y a la homogeneidad que obtuvo la mezcla en el proceso de mezclado realizado justo antes de la fabricación de los bujes en planta la planta de MVM Ltda.

En la figura 25 se muestran la huellas producidas por el pin en la muestra (A), se observa que las huellas fueron poco profundas, además que el material desprendido fue mínimo.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 200 400 600 800 1000

Coef

icie

nte

de fr

icci

on µ

Recorrido (m)

P1 P2

P4 P3

63

Figura 25 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes MVM1000

A través de la micrografía mostrada a continuación, se muestra el detalle de la huella, en la que se aprecia un menor tamaño, no hay deformación plástica visible a comparación de las otras muestras, pero cuenta con pequeñas ralladuras a causa de partículas abrasivas provenientes del material superficial desprendido.

Figura 26 Micrografía 160X

P1 P3 P4

A

A A

64

7.2.5 Bujes MVM300.

Para los ensayos realizados a los bujes de referencia MVM300, se obtuvieron valores cercanos para el coeficiente de fricción dinámico entre las diferentes pruebas. El comportamiento del coeficiente no se mantuvo constante, tuvo diferentes variaciones aunque tuvo tendencias a un valor de 0.35. Esto se evidencia en el grafico 5 en donde el rango del coeficiente de fricción dinámico obtuvo valores entre un rango de 0,3 y 0,44.

Gráfico 5 Resultado de prueba Pin on Disk a bujes MVM300.

Figura 27 Huellas producidas en la prueba Pin on Disk a bujes MVM300

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,40,45

0,5

0 200 400 600 800 1000

Coef

icie

nte

de fr

icci

on µ

Recorrido (m)

P4

P2

P1 P3

P1 P2 P4

A

A

A

B

B

B

65

En la figura 27 se observa la huella dejada por el recorrido del balín (A), el material desprendido de la muestra después del ensayo de desgaste fue mayor que en los otros materiales (B).

En la micrografía mostrada en la figura 28, se puede observar gran deformación plástica del material generada por el paso del balín a lo largo del recorrido. La huella corrobora los resultados obtenido en el grafico 5, en donde el coeficiente de fricción no se presenta estable para ninguno de los ensayos a pesar de que el rango en que se encuentran las diferentes pruebas es muy cercano, y esto es debido a los picos y valles que se forman debido a deformaciones. A su vez se encuentra que hay presencia de arado a causa de partículas abrasivas, y estas marcas son mayores que para el resto de los materiales.

Figura 28 Micrografía por 160X

Def. Plástica

Arado

66

Tabla 7 coeficiente de fricción dinámica promedio - Prueba Pin on Disk


P1 0,27458 0,22892 0,20929 0,23058 0,34189 P2 0,36153 0,24021 0,14465 0,23787 0,33299 P3 0,33384 0,27146 0,21616 0,22583 0,35032 P4 0,32234 0,29654 0,35120 0,21669 0,35874

Promedio 0,32308 0,25928 0,23032 0,22774 0,34598 Desviación estándar 0,03627 0,03067 0,08679 0,00888 0,01106

Al analizar la tabla 9, los resultados obtenidos de las tasas de desgaste, se muestran muy acordes con las imágenes tomadas a la muestra, ya que a mayor tamaño de huella mayor tasa de desgaste, además es válido agregar, que las mayores deformaciones plásticas y las mayores cantidades de marcas de arado presentes en las huellas, estan en los material con mayor tasa de desgaste.

Tabla 8 Pérdida de masa en gr – Prueba Pin on Disk


P1 0,00370 0,00140 0,00230 0,00020 0,00470 P2 0,00290 0,00210 0,00040 0,00040 0,00380 P3 0,00290 0,00050 0,00170 0,00020 0,00400 P4 0,00210 0,00040 0,00140 0,00020 0,00610

Promedio 0,00290 0,00110 0,00145 0,00025 0,00465 Desviación estándar 0,00065 0,00080 0,00079 0,00010 0,00104

En la Tabla 10, se tiene que la varianza de las variables de respuesta para el ensayo Pin on Disk (Coeficiente de fricción dinámico promedio y la pérdida de masa por desgaste) es explicada por los diferentes tipos de materiales y no por las condiciones del ensayo, indicando un buen control sobre el experimento, esto se explica porque en el análisis de varianza, la suma de cuadrados del tipo de Material (0,06093; 0,000048) es superior a la suma de cuadrados de los errores (0,01049;

67

0,000008), es decir, que el mayor valor de variación (SC Ajust.) se atribuye a los tipos de materiales, por lo que la hipótesis nula es rechazada.

Tabla 9 Varianza del coeficiente de fricción dinámico y pérdida de masa por desgaste.

En la Tabla 10, se encontró que existen diferencias significativas a un nivel de 0.000 (p-valor) para el coeficiente de fricción dinámico, y la pérdida de masa por desgaste, por lo tanto se realizó una prueba postanova para determinar entre que tipos de materiales se encuentra esta diferencia. La Tabla 11 presenta las comparaciones por medio de la prueba Tukey entre los distintos tipos de materiales en estudio a un nivel de significancia del 5%.

Tabla 10 Prueba Tukey (α= 0.05) - tipo de material y coeficiente de fricción dinámico; tipo de material y pérdida de masa por desgaste.

En la tabla 11 se presenta el número de ensayos realizados para cada tipo de material, la media, y la agrupación a la cual pertenece cada referencia, tanto para el coeficiente de fricción dinámico, como para la pérdida de masa por desgaste. Por

Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p tipo de muestra 4 0,06093 0,015233 20,34 0,000 4 0,000048 0,000012 21,42 0,000

Error 14 0,01049 0,000749 15 0,000008 0,000001Total 18 0,07142 19 0,000056

R2=85,32% R2= 85,1%

Coeficiente de fricción Pérdida de masa

Pérdida de masa por desgaste (gr)Tipo demuestraMVM300 4 0,00465 A

CT500 4 0,0029 BCT1000 4 0,00145 B C

MVM500 4 0,0011 CMVM1000 4 0,00025 C

N Media Agrupación

68

consiguiente las letras que no comparte una letra en su agrupación, son significativamente diferentes.

Para el coeficiente de fricción, se tiene que los menores valores obtenidos fueron por la referencia CT1000, seguido muy de cerca por la referencia MVM1000, y ambas referencias se encuentran agrupadas por la letra C, lo que significa que no hay diferencia significativas entre ellas, así que ambas producen el mismo efecto sobre el coeficiente de fricción dinámico. A su vez, la referencia MVM500, también se encuentra agrupada con la referencia MVM1000 por la letra B, y entre ella no hay diferencia significativas. Finalmente, con los más altos valores de coeficiente de fricción dinámico, se encuentran las referencias CT500 y MVM300, agrupadas con la letra A, lo que significa que entre ellas, no hay diferencias significativas.

Para la pérdida de masa por desgaste, el menor valor promedio obtenido fue por la referencia MVM1000, la cual se encuentra agrupada por la letra C con las referencias MVM500 y CT1000, lo que significa, que no hay diferencias significativas entre ellas, para la pérdida de masa por desgaste. La referencia CT1000, también se encuentra agrupada por la letra B con la referencia CT500, así que entre estas dos referencias, no hay diferencias significativas. Por último, con la mayor pérdida de masa por desgaste, se encuentra la referencia MVM300, agrupada con la letra C, no comparte grupo con ninguna de las otras referencias.

7.3 MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO

En la figura 29 se aprecia micrografías de las muestras de referencia CT1000 y MVM1000, a 100 aumentos. Aunque el proceso de reprensado reduce la porosidad en el material, se observa gran cantidad de poros distribuidos a lo largo de su estructura. Las regiones con tonos más oscuros en las micrografías representan zonas donde se encuentran los poros (A); estos se identifican mediante la escala de grises, que varía su tonalidad de acuerdo al peso atómico, las tonalidad claras representan elementos de mayor peso atómico(B). En la micrografía se identifican constituyentes deformados, diferentes a las partículas de los polvos sin compactar,

69

la microestructura se presenta similar a los resultados obtenidos por Arango20 en su investigación sobre materiales sinterizados.

Figura 29 Micrografías SEM a 100X de bujes de referencia CT500 y MVM500

Para las muestras de referencia CT1000 y MVM1000 de igual manera se tomaron micrografías a 100 aumentos, y son evidenciadas en la figura 30, en donde se observan geometrías irregulares, conformadas por las partículas de los polvos metálicos deformadas después del prensado y reprensado. A través de la escala de grises, se puede observar que el estaño (B- elemento de mayor peso atomico en la mezcla) no se presenta uniforme en la microestructura de ambos materiales, además se presenta gran porosidad a lo largo de las muestras (A).

20 Aragón, José A; & Villegas, Juan C. Efectos del 2%p Cu en la Respuesta ante el Sinterizado de la Mezcla de Polvos Zn-22%p Al. En: Información tecnológica [en linea]. Lima, Peru: Procesos metalúrgicos actuales, junio 2017, nro.19. 51-56 p. [disponible en]: https://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000600009

B A

A

70

Figura 30 Micrografías SEM a 100X de bujes de referencia CT1000 y MVM1000

Finalmente en la figura 31 la micrografía para la muestra MVM300 a 100 aumentos, revela una estructura menos homogénea, los poros que hay en la estructura(A), son de menor tamaño que las otras muestras. Presencia de porosidad poco distribuida, factor que corrobora la poca estabilidad del coeficiente de fricción dinámico a lo largo de las pruebas. También se pueden observar microgrietas (B) en diferentes sectores del material, posiblemente generadas en el proceso del reprensado, lo que significa fragilidad en la estructura de este material, además de ser concentradores de esfuerzos que pueden inducir a una falla temprana del material. La sinergia entre la porosidad y las microgrietas presentes, posiblemente concentraron esfuerzos en puntos de contacto entre el pin y el material para el ensayo pin on disk, ocasionando mayor desprendimiento de material, datos justifican las tasas de desgaste registradas.

B A

A

B

71

Figura 31 Micrografías SEM a 100X de bujes de referencia MVM300

7.4 ANALISIS DE TERMICO.

7.4.1 Mezcla 92% Cobre y 8% Zinc

En el gráficos 6 y se presentan las curvas del análisis termogravimétrico (TGA), y la correspondiente derivada (DTG) para la mezcla de polvos metálicos (92%Cu 8%Zn). Por ser una aleación muy sensible a las condiciones del sinterizado ya que el cinc a temperaturas superiores a 850°C forma fase líquida y tiene tendencia a la evaporación y oxidación según Krivij21, es de gran importancia este ensayo. Alrededor de los 210°C hay una disminución de masa, la cual tiene su pico más alto a los 450°C, este porcentaje de pérdida de masa, se debe posiblemente al ligante

21 KRIVIJ, N; SUWARDJO, W; y CORES, A; Optímización de los parámetros tecnológicos para la obtención de piezas de latón por pulvimetalurgia. En: revista de metalurgia Madrid, España: Consejo superior de investigaciones científicas, junio 2009, nro. 37. 395-399p.

BA

72

utilizado en las mezclas (estearato de Zinc). A partir de los 450°C, se aumenta el porcentaje de masa debido a que el material se oxida por calor.

Gráfico 6 Termograma de la mezcla 92%Cu 8%Zn

En la curvas DTG, se observa un pico endotérmico alrededor de los 300°C, debido muy posiblemente a la descomposición del estearato de zinc, este pico se da, ya que para romper los enlaces del ligante para su descomposición, ocurre absorción de energía, por parte del material, generando pérdida de masa.

Al comparar este comportamiento con el termograma obtenido por Shaojuan Luo para el estearato de zinc presentado en el grafico 7, es claro que se obtuvieron temperaturas de descomposición similares, a las presentadas en el grafico 6. También el grafico muestra el proceso de descomposición se pierde más del 85% de la masa analizada, quedando únicamente bajos porcentajes de masas residuales. como por cada 100 gramos de la mezcla, se le adiciona un gramo de ligante, el porcentaje de este último resulta ser muy bajo, y al observar que la pérdida de masa en la mezcla es de aproximadamente de 0,7% se comprueba que está perdida de masa en la mezcla, es causada por la pérdida de masa del ligante.

A

A B

B

73

Gráfico 7 Termograma del ligante estearato de Zinc

Fuente: LUO, Crystal Shaojuan; YANG, Dongning. Synthesis and application of non-agglomerated ITO nanocrystals via pyrolysis of Zinc stearate without using additional organic solvents. En: Journal of Nanoparticle Research EEUU: scientific researches, agosto 2013, no. 68. 395-399p.

Finalmente en el grafico 6 se empieza a formar un pico exotérmico a partir de los 400°C, debido a la oxidación del metal, ocurre liberación de energía, para formar enlaces con otras moléculas. Y si este comportamiento se compara con los datos obtenido por Widmann en su investigación sobre estabilidad térmica del cobre (elemento más abundante en la mezcla) mostrado en el grafico 8, es posible encontrar similitud en el comportamiento, a diferencia que no hay pérdida de masa, y que la oxidación es mayor para los polvos metálicos de cobre.

74

Gráfico 8 Termograma a polvos metálicos de cobre

Fuente: WIDMANN, Georg. Interpreting TGA Curves. En: information for users of METTER TOLEDO termal analysis systems. EEUU: UserCom, 2011, no. 13. 3 p.

7.4.2 Mezcla 95%Cobre y 5%Estaño

Para las curvas del análisis termogravimetrico (TGA) de la mezcla de polvos metálicos 95%Cu y 5%Sn mostradas en el grafico 9, se tuvo un proceso estable en donde no vario la masa hasta llegar a una temperatura aproximadamente de 270°C, después de superar dicha temperatura, hubo un decrecimiento en la masa con un pico máximo a los 340°C y seguido de esto, hubo ganancia másica superando el peso inicial. Al analizar la derivada de la variación másica, se tiene un pico endotérmico máximo de 0,015% a la temperatura de 320°C aproximadamente, posiblemente generado por la descomposición del estearato de Zinc. Luego ocurre liberación de energía, posiblemente asociada al proceso de oxidación del material, generando aumento de masa en la muestra.

75

Gráfico 9 Termograma de la mezcla 95%Cu 5%Sn

7.4.3 Mezcla 90% Cobre y 10% Estaño

finalmente el termograma de la mezcla 90%Cu y 10%Sn presentada en el grafico 10, se tiene un leve incremento de la masa, pero a una temperatura de 250°C, empieza a descender el porcentaje de masa analizada, hasta un pico máximo a los 320°C el cual se mantiene constante hasta los 400°C aproximadamente. Una vez pasa la temperatura de 400°C, ocurre un aumento en la masa, hasta el final del ensayo.

Con ayuda de las curvas DTG, se observa un comportamiento similar al de los otros materiales, en donde el pico máximo se encuentra a una temperatura de 310°C aproximadamente, y muy posiblemente representa la descomposición del material ligante. Seguido a esto, oxidación por calor generando un aumento progresivo de la masa.

B

A

A

B

76

Gráfico 10 Termograma de la mezcla 90%Cu 10%Sn

Por último, se tiene que los materiales cuentan con gran estabilidad térmica, aunque hubo variación en porcentaje de ganancia de masa por oxidación. El material con menos porcentaje de ganancia másica, fue la mezcla 92%Cu y 8%Sn con 1,027% de ganancia másica, seguido por la mezcla 90%Cu y10%Sn con 2.758% de incremento. Finalmente la mezcla 95%Cu y 5%Sn gano mayor peso comparada con las otras mezclas con 6,777%.

B

B

A

A

77

8. CONCLUSIONES

• Los bujes de referencia MVM500 y MVM1000 compiten directamente conlas propiedades evaluadas de dureza, coeficiente de fricción dinámico y pérdida demasa por desgaste con los bujes comerciales de referencias CT500 y CT1000respectivamente.

• Los bujes de cobre fabricados con 10% de estaño, presentaron mejorespropiedades de dureza Vickers, coeficiente de fricción dinámico y tasa de desgastepor fricción que los bujes con 5% de estaño, así que las propiedades mecánicasestán ligadas al contenido de estaño presente en las muestras.

• La calidad de los bujes a introducir en el mercado, debe ser mayor o iguala la referencia de bujes comercial CT500. Los bujes de referencia MVM300presentó valores de dureza menores, coeficiente de fricción dinámico mayor y tasade desgaste mayor, por lo tanto esta referencia no puede ofrecerse al mercado, yaque sus propiedades evaluadas no cumplen con los estándares de calidad de lasreferencias comerciales.

• Los bujes fabricados con adicción de estaño, presentaron mayores valorespara la dureza Vickers, menores valores para el coeficiente de fricción dinámico ytasa de desgaste, comparados con los bujes fabricados con adición de Zinc.

• Los bujes de referencia MVM300 presentaron gran cantidad demicrogrietas a lo largo de su estructura lo cual puede inducir a falla temprana en elmaterial, debido a los concentradores de esfuerzo producidos por estasmicrogrietas.

78

9. RECOMENDACIONES

Por calidad y costos, se recomienda a la empresa MVM LTDA. Continuar produciendo los bujes de referencias MVM y no de CT.

79

BIBLIOGRAFÍA

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82

ANEXOS

Anexo A Catálogo de bujes autolubricados para electrodomésticos fabricados por la empresa MVM.

Fuente: MVM Ltda., (2017), Bujes Autolubricados MVM Para Electrodomésticos [ONLINE].Available at: http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html. [Accessed 30 November 2017]

83

Anexo B. Validación de supuestos sobre el error del modelo experimental en las mediciones de dureza Vickers.

Validación de supuesto de normalidad.

Validación de supuesto de homogeneidad.

43210-1-2-3-4

99

95

90

80

7060504030

20

10

5

1

Media -1,42109E-15Desv.Est. 1,365N 20RJ 0,964Valor p >0,100

RESID

Porc

enta

je

Gráfica de probabilidad de RESIDNormal

5

4

3

2

1

121086420

Valor p 0,435

Valor p 0,877

Comparaciones múltiples

Prueba de Levene

tipo

de m

uest

ra

Prueba de igualdad de varianzas: RESID vs. tipo de muestraMúltiples intervalos de comparación para la desviación estándar, α = 0,05

Si los intervalos no se sobreponen, las Desv.Est. correspondientes son significativamente diferentes.

84

Anexo C. Validación de supuestos sobre el error del modelo experimental en las mediciones de coeficiente de friccion dinamica.



0,0500,0250,000-0,025-0,050

99

95

90

80

7060504030

20

10

5

1

Media 4,528541E-17Desv.Est. 0,02414N 19RJ 0,983Valor p >0,100

RESID_1

Porc

enta

jeGráfica de probabilidad de RESID_1

Normal

5

4

3

2

1

0,40,30,20,10,0

Valor p 0,000

Valor p 0,444


Prueba de Levene

tipo

de m

uest

ra

Prueba de igualdad de varianzas: RESID_1 vs. tipo de muestraMúltiples intervalos de comparación para la desviación estándar, α = 0,05


85

Anexo D. Validación de supuestos sobre el error del modelo experimental en las mediciones de perdida de masa por desgaste.



0,0020,0010,000-0,001-0,002

99

95

90

80

7060504030

20

10

5

1

Media 4,011548E-19Desv.Est. 0,0006645N 20RJ 0,975Valor p >0,100

RESID_2

Porc

enta

je

Gráfica de probabilidad de RESID_2Normal

5

4

3

2

1

0,0040,0030,0020,0010,000

Valor p 0,020

Valor p 0,267


Prueba de Levene

tipo

de m

uest

ra

Prueba de igualdad de varianzas: RESID_2 vs. tipo de muestraMúltiples intervalos de comparación para la desviación estándar, α = 0,05


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