ARTICULO

 

BRONCE AL ALUMINIO CON PLOMO UNA ALTERNATIVA DE MATERIAL
ANTIFRICCIÓN

 

 

Tito Zegarra Verástegui
Instituto de Investigaciones Metalúrgicas y de Materiales UMSA
titozegarra@yahoo.com

 

 

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RESUMEN

Basados en resultados obtenidos en pruebas de laboratorio que demuestran la factibilidad de introducir cantidades adecuadas de plomo en los bronces al aluminio y que la influencia del plomo en el coeficiente de fricción es favorable, se diseña una aleación Cu-Al-Pb para una aplicación específica como son los cojinetes de locomotoras de ferrocarril, constituyéndose esta nueva aleación en una alternativa frente al bronce al estaño plomo.

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DETERMINACIÓN DE LA ALEACIÓN ADECUADA

Para la determinación del material adecuado, inicialmente se debe identificar la pieza para la aplicación industrial, en este trabajo se identificó a los cojinetes de locomotora de ferrocarril coma la pieza para la aplicación industrial. Los planos de dicha pieza se la presente en la figura 1.

 

Curva de Stribeck

La curva de Stribeck relaciona la el coeficiente de fricción u con el primer parámetro presentado

Esta curva se la presenta en la figura 7. En la curva se puede observar 3 zonas como son:

•    Zona 1, de lubricación en régimen límite,

•    Zona 2, definida entre los punto A y B conocida como de régimen semilímite

•    Zona 3, de lubricación en régimen hidrodinámico.

 

La mejor condición de trabajo de los cojinetes se encuentra en el B de la curva de Stribeck debido a que delimita la zona estable de la inestable, puesto que proporciona un rozamiento mínimo con prácticamente desgaste nulo. En la práctica se prefiere trabajar ligeramente a la derecha del punto B para tener un margen de seguridad.

Ahora bien, para avanzar en nuestro propósito de elegir el material adecuado para la fabricación de cojinetes de locomotora, se debe analizar las características del deterioro de este tipo de pieza.

 

Deterioro en cojinetes de deslizamiento

Los cojinetes de deslizamiento pueden sufrir varios tipos de deterioros como ser: ralladuras, desgaste acelerado, deposición del metal antifricción en el muñón, producto de las siguientes causas:

•     Fatiga

•     Corrosión

•     Partículas en el lubricante

•     Falta de lubricante o viscosidad insuficiente

•     Desalineamientos

•    Altas presiones

•     Combinación inadmisibles de cargas y velocidades

Si se quiere evitar el deterioro prematuro del cojinete, este debe ser diseñado cuidadosamente.

En la figura 3 se presenta un Diagrama de orientación de los criterios de cálculo de los cojinetes de deslizamiento en dependencia del régimen de lubricación³.

 

En las condiciones de trabajo de los cojinetes de deslizamiento existe básicamente posibilidades de desgaste adhesivo (contacto entre superficies por tener una delgada capa de lubricante que no impide el contacto de las salientes) y desgaste abrasivo producto de partículas en el lubricante proveniente del exterior o de las limaduras que se producen en el desgaste adhesivo y en consecuencia las características del material juegan un rol importante en el control del desgaste.

 

Control de desgaste abrasivo

Para el control del desgaste abrasivo de los cojinetes de deslizamiento, se recomienda el regular los parámetros presentados en la Figura 4.

 

Entonces debe elegirse un material que tenga una relación determinada de dureza con el muñón, que de manera simple puede ser expresado de la siguiente manera.

• La relación de dureza del material del muñón y el cojinete debe ser menor a 1,3.

• La dureza del muñón debe ser mayor que la dureza del cojinete en una magnitud menor que 150 unidades brinell.

En la Figura 5, se presenta una relación de durezas para diferentes niveles de cumplimiento de la primera condición.

 

Como se puede notar con todas las durezas obtenidas para las diferentes relaciones de durezas del muñón y el cojinete, se cumple el segundo requisito referente a la magnitud de la diferencia de durezas. Se puede también notar que a medida que la dureza del eje se hace mayor, la relación de durezas juega una influencia más significativa. En consecuencia dejarse guiar por la relación de durezas es adecuado.

Para nuestro caso se decide seguir una relación de dureza de 1.2, para determinar la dureza del material con el que debe fabricarse el cojinete.

De acuerdo a información verbal de técnicos de la Empresa de Ferrocarriles, para la fabricación de los ejes (muñón) que trabajan en contactos con los cojinetes, regularmente se utiliza acero al carbono SAE 1045, lo que es coincidente con las recomendaciones que aparecen en bibliografía para este tipo de partes.

Este tipo de acero según datos bibliográficos en su condición de estirado en frio tiene una dureza de 179 HB. Ahora bien, si se considera las diferentes alternativas basadas en la relación de dureza, el material del cojinete debe tener una dureza que oscila entre 137 y 162 HB. Asumiremos una media de 150 HB.

Según la norma unificada el bronce C95400 desarrolla una dureza de 160 HB². A este bronce se le debe añadir 10% de plomo que es el nivel en el que se presentan las mejores condiciones de trabajo frente al desgaste. Se espera que la introducción de plomo baje la dureza al nivel preestablecido.

En consecuencia la aleación a fabricarse para la aplicación en cojinetes de locomotoras de ferrocarril debe tener la siguiente composición:

 

APLICACIÓN INDUSTRIAL

Para la fabricación de los cojinetes, se debe tener en cuenta las características metalúrgicas de este tipo de los bronces al aluminio que inciden en la fabricación de piezas fundidas, estas son: la susceptibilidad a la oxidación y su contracción durante la solidificación.

Un análisis de la condiciones para realizar la colada de esta pieza en el material propuesto arroja el resultado presentado en la Fig 6.

 

Las dimensiones de cada uno de los componentes fueron determinadas con ayuda de software desarrollado en el Instituto de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Mayor de San Andrés de La Paz Bolivia

 

CONCLUSIONES

Antes de presentar las conclusiones, se debe hacer notar que este trabajo debe considerarse como inicial, debido a que se trata de un nuevo material del que no se tienen referencias. Con esa aclaración, se puede concluir en lo siguiente.

El bronce al aluminio con plomo (Al : 10 - 11,5%, Fe : 3 - 5 %, Ni : 1,5 %, Mn : 0,5%, Pb : 10%, Cu : resto) presenta todas las características necesarias para que pueda ser utilizado en la fabricación de cojinetes de locomotora de ferrocarril.

 

AGRADECIMIENTOS

El autor desea hacer llegar sus agradecimientos al IIMETMAT de la UMSA, por su cooperación fundamental para el desarrollo y el financiamiento del trabajo.

De igual manera a la Empresa SIIF que en breve pondrá en aplicación los resultados obtenidos.

 

NOTAS

² Metalcaster's Reference Guide AFS

 

BIBLIOGRAFIA

1)   AFS Metalcaster's Reference Guide        [ Links ]

2)   CALIXTO RODRIGUEZ MARTINEA, Notas de tribología, universidad de oriente cuba        [ Links ]

3)   G. GONZALES REY, A. GARCÍA TOLL, T. ORTIZ CARDENAS. Elemento de Maquinas. Cojinetes de deslizamiento. Transmisiones Mecánicas        [ Links ]

4)   OMAR LINARES O. Tribología y Mantenimiento Proactivo, Widman, International S.R.L., Santa Cruz, Bolivia        [ Links ]

5)   ZEGARRA TITO (2005), ¿Por qué seleccionar los bronces para su aplicación industrial? Instituto de Investigaciones Metalúrgicas y de Materiales, Universidad Mayor de San Andrés, La Paz Bolivia        [ Links ]

6)   ZEGARRA TITO - RODNY BALANZA UMSA. Informe final Proyecto: Desarrollo de una aleación antifricción alternativa (Cu-Al-Pb) para la fabricación de cojinetes de la maquinaria que utiliza la industria de la región y el país        [ Links ]