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UNIVERSIDAD DE LA REPÚBLICAFACULTAD DE INGENIERÍA

INSTITUTO DE ENSAYO DE MATERIALES

METALURGIA FÍSICA

Caracterización de Componentes de Motores de Combustión Interna

Alumno: Juan Pablo Cetrulo

Docente: Ing. Eduardo Vedovatti

Año 2009

1



Índice

Pag.• Objetivos del trabajo 2

• Introducción 2

• El elemento de estudio 9• Avería 23

• Análisis de la falla 26

• Conclusiones 32

• Referencia bibliográfica 33

2



Objetivo del trabajo

El trabajo se centrará en dos grandes objetivos, el primero va a tener que ver con

la caracterización del material constituyente del elemento de estudio, mientras que el

segundo será un análisis de las posibles causas que llevaron a la finalización de la vida

útil de la pieza. La misma es un pistón de un motor de combustión, la cual ha sufrido un

daño en su parte superior que se puede visualizar a simple vista.

Para comenzar con el análisis, se desarrollará una introducción donde se

describirán los pistones en general, ya sea acerca de su constitución, forma,

funcionamiento, diseño, etc. Luego se caracterizará el material con la ayuda de pruebas

metalográficas realizadas en el laboratorio, para terminar elaborando posibles teorías de

causas que hayan podido provocar la falla.

Introducción

El pistón es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en la superior ysujeto a la biela en su parte intermedia. El movimiento del pistón es hacia arriba y abajo

en el interior del cilindro, comprime la mezcla, transmite la presión de combustión al

cigüeñal a través de la biela, fuerza la salida de los gases resultantes de la combustión en

la carrera de escape y produce un vacío en el cilindro que “aspira” la mezcla en la carrera

de aspiración. Esta pieza, generalmente encontrada en máquinas motrices (motores de

combustión interna, motores de vapor) como en máquinas operadoras o de trabajo

(bombas hidráulicas alternativas, compresores, etc.), forma parte del mecanismo

comúnmente denominado biela-manivela el cual es el encargado de transformar un

movimiento rectilíneo en uno giratorio a través del cigüeñal.

El pistón, que a primera vista puede parecer de las piezas más simples, ha sido

y es una de las que ha obligado a un mayor estudio. Debe ser ligero, de forma que seanmínimas las cargas de inercia, pero a su vez debe ser lo suficientemente rígido y

resistente para soportar el calor y la presión desarrollados en el interior de la cámara de

combustión.

El origen del pistón puede remontarse al del cañón, de hecho, en esta máquina el

proyectil (inicialmente esférico y luego cilíndrico) es conducido por la caria y empujado

por la elevada presión de la explosión. Los primeros intentos de un motor de combustión

interna en el siglo XVI se basaban en el cañón, puesto que usaban como combustible

pólvora negra. En 1873, gracias al norteamericano Brayton, la forma del pistón, de

cuerpo cilíndrico, se hizo cada vez más compleja y similar a la configuración actual: se

introdujeron los segmentos elásticos con sus correspondientes alojamientos, y losagujeros del bulón fueron dotados de una zona de fortalecimiento interno.

El material con que se construía fue durante muchos años la fundición. En el año

1911, La Hispano-Suiza introdujo los pistones de aluminio, obteniendo una notable

ventaja en cuanto a ligereza. Sin embargo, la mayor dilatación térmica del aluminio (3

veces superior a la de la fundición) y el consiguiente peligro de gripado condujeron a los

demás constructores de motores a conservar aún durante un decenio los pistones de

fundición, limitando el peso mediante la reducción del grosor del material.

A partir de 1920, gracias a las nuevas aleaciones ligeras y a las técnicas de fusión

y de mecanización mejoradas, el pistón de aluminio comenzó a sustituir al de fundición,

aunque en los años treinta se produjo en Estados Unidos un retorno al segundo tipo, por

razones económicas y en parte técnicas. Actualmente, las fundiciones se usan casi

siempre estañando las superficies frontales, que a veces se niquelan. Sin embrago, para

3



hacerlos lo mas ligeros posibles se hacen muchos de aluminio o sus aleaciones (Alpax,

con un 13% de silicio) con lo que también se puede enfriar mejor su cabeza. Como el

aluminio se dilata más que la fundición con el calor, habrá que montar los pistones en

frío demasiado holgados, y a motor poco caliente se oiría un ruido de campaneo (par de

basculación o cabeceo creado por la componente de las fuerzas que animan al pistón en

cada movimiento dentro del cilindro).

Forma del pistón

En el pistón pueden distinguirse 4 partes principales: la cabeza, que recibe el

calor y el impulso de los gases de combustión; la zona de los aros, que por medio de los

segmentos asegura la retención de los gases y del aceite de lubricación y al mismo

tiempo disipa una parte del calor recibido; los alojamientos del bulón mediante el cual se

une el pistón a la biela, y la falda, cuya función consiste en guiar el pistón en su

movimiento dentro del cilindro y ceder el resto del calor al fluido de refrigeración (aire o

agua).

En la zona portasegmentos, losalojamientos de los segmentos se obtienen

mediante torneado. En tiempos no muy lejanos

podían contarse hasta 5 alojamientos; en la

actualidad, dada la eficiencia de los segmentos,

éstos se han reducido a 3 para los pistones de

motores de turismo comunes y a 4 para los de

motores Diesel.

El primer alojamiento, comenzando por

arriba, aloja un segmento de retención,

comúnmente llamado segmento de fuego ya que

contiene directamente la explosión gracias a la presión que esta hace sobre él, contra lagarganta y el cilindro, taponando el paso de las llamas. Modernamente este segmento se

recubre de cromo poroso para endurecerlo y a la vez retener el aceite en los poros

consiguiendo así que los segmentos duren más y los cilindros se desgasten menos. El

segundo (o el segundo y el tercero) puede incluir un segmento rascador con rebaje, o

bien, un segmento de retención y otro con rebaje. El último alojamiento lleva un

segmento clásico recogedor de aceite, con ranuras, que tiene la función de recuperar una

parte del aceite de lubricación lanzado contra las paredes del cilindro.

No todo el aceite es retenido por el segmento correspondiente en su carrera de

bajada; una parte permanece y sirve para mejorar las condiciones de rozamiento de los

demás segmentos. La función del primer segmento es bloquear la parte residual de aceite

que sube hasta él. Un hecho bastante curioso, pero que tiene razón de ser, es que laúltima aleta, es decir, la porción comprendida entre los 2 segmentos finales, tiene 1mm

menos de diámetro, aproximadamente, que las demás; esto tiene como finalidad crear un

espacio regulador, donde se forma un anillo líquido que retarda la marcha del aceite

hacia arriba y produce una zona de retención más.

Estos aros se hacen de material menos duro que el del bloque para que en el

frotamiento con las paredes de los cilindros sean ellos los que se desgasten. También

deben ajustarse bien en las ranuras pues si quedan flojos, por desgaste, bombean el aceite

a la parte superior ya que al bajar el pistón, el hueco queda abajo y se llena de aceite, y al

subir el pistón pasa a la cámara de combustión donde se quema en pura pérdida,

produciendo carbonilla y humos.

El área de los alojamientos del bulón, zona de unión del pistón con la cabeza de

la biela mediante el bulón, es muy delicada, dadas las fuerzas que actúan en ella. Un

4



acoplamiento realizado defectuosamente implica consecuencias catastróficas (rotura de

los apoyos, gripado y avería total del cilindro). Generalmente, se usan 3 acoplamientos:

bulón fijo a la biela y flotante sobre los apoyos; bulón sujeto al pistón y libre sobre la

biela, y bulón libre en los apoyos y en la biela (flotante). En el caso de bulones libres en

los apoyos, éstos no pueden deslizarse y salir de sus alojamientos, puesto que se lo

impiden unas arandelas.

Las aleaciones de aluminio

empleadas normalmente para la

construcción de pistones pueden

clasificarse en 3 categorías: aluminio-

cobre, aluminio-cobre-níquel (o hierro) y

aluminio-silicio. Las aleaciones más

empleadas son las últimas, puesto que

ofrecen óptima resistencia mecánica y

coeficiente de dilatación bajo, junto con

elevado coeficiente de conductibilidad

térmica. Además de éstas, existenaleaciones de aluminio al cobre, al

silicio y al magnesio adecuadas para

pistones estampados en prensa, de

resistencia mecánica elevada. Estas

aleaciones sirven, sobre todo, para

construir pistones para motores de

competición y de aviación.

En los motores de combustión

interna, se confían al pistón las

siguientes funciones: transmitir alcigüeñal, a través de la biela, los

impulsos producidos por los gases de

combustión; garantizar la retención de

los gases y del aceite de lubricación, y

transmitir al cilindro el calor que recibe

de los gases.

La primera función está relacionada esencialmente con su resistencia mecánica y

es una de las principales consideraciones que el diseñador debe tener en cuenta al

proyectar los grosores y al elegir el material.

La segunda función (retención de gases) permite utilizar toda la energía

producida en el momento de la combustión y evita que los gases, al pasar al cárter,quemen el aceite y provoquen el gripado o el encolado de los segmentos. La retención

del aceite es necesaria, además de limitar el consumo, para evitar depósitos de carbonilla

entre las aletas y en la cámara de combustión; estos últimos pueden provocar el

preencendido por puntos incandescentes e incluso perforar el pistón. Las dimensiones de

la falda y de las aletas contribuyen a garantizar la retención, puesto que, por encima de

ciertos valores de juegos de acoplamiento entre el pistón y el cilindro, el sistema no

puede funcionar, por el peligro de gripado, por lo que dicha función se confía sobre todo

a los segmentos.

La tercera función (disipación del calor) favorece el mantenimiento de las

características mecánicas del material, reduce el peligro de trabamiento de los segmentos

y el desgaste de los alojamientos.

5



Clasificación

La gama de los tipos de pistones, diferentes por su forma, sus funciones y

dimensiones, es muy amplia. Cada motor tiene su pistón. De todos modos, puede

aceptarse una subdivisión en dos grandes clases en donde se encuentran los pistones para

motores de encendido por chispa y los pistones para motores Diesel.

• Pistones para motores de encendido por chispaSon los pistones que se emplean preferentemente en los motores de 4 tiempos y

de 2. Su diámetro va desde 30-70mm para las motocicletas hasta 52-110mm para los

automóviles. Pueden construirse de varias formas: la cabeza, por ejemplo, puede ser

plana, cóncava o convexa. Puede presentar rebajes circulares en correspondencia con la

posición de las válvulas de admisión y de escape. Estas diferentes cavidades representan

la investigación continua de los proyectistas para conseguir una combustión completa y,

por tanto, un menor porcentaje de gases no quemados en el escape.

La zona inferior de la falda posee generalmente aletas que tienen la función de

aumentar la guía y reducir el golpeteo del pistón contra las paredes del cilindro. El áreade la falda próxima a los agujeros del bulón muchas veces se rebaja para aligerar el

pistón sin comprometer su resistencia. También puede hacerse otra distinción tomando

en consideración las diferentes técnicas de construcción ideadas para controlar la

dilatación térmica.

• Pistones para motores DieselLas cabezas de estos pistones varían de forma, pero presentan los mismos

problemas: elevado rendimiento de la combustión, disipación del calor de la cámara de

combustión y transferencia del impulso de los gases a la biela a través del bulón. De

estos problemas, los 2 primeros son los más difíciles de resolver.

Las cámaras del tipo de turbulencia esférica, las de doble turbulencia (Saurer) ylas de turbulencia simétrica (Ricardo) son las más usadas y con ellas se trata de obtener

una velocidad de rotación del aire aspirado y comprimido muy elevada y simétrica. De

esta manera, las partículas de combustible pulverizado por el inyector, al mezclarse

íntimamente con el aire, se queman por completo. El borde de la cámara de combustión

es una zona muy delicada a causa de las posibles grietas de origen térmico; esto se

remedia aumentando los radios de acorde o también incorporando en esta zona

elementos de fundición que tengan un coeficiente de dilatación muy próximo al de la

aleación de aluminio. Esta técnica se emplea normalmente para pistones sometidos a

solicitaciones elevadas.

La disipación del calor de la cabeza se obtiene: perfilando adecuadamente el

interior del pistón, sobre todo en la zona de unión con la falda; enfriando con chorros de

aceite la parte inferior de la cabeza del pistón, o efectuando rebajes circulares o en

serpentina, en el cuerpo de la cabeza o alrededor de la cámara de combustión en donde

se desliza el aceite de refrigeración. El borde superior de estos pistones, al quedar

directamente expuesto a los efectos de la combustión, constituye la primera barrera

contra los gases en expansión. Un juego demasiado grande favorece la formación de

depósitos de carbonilla, que rellenan el espacio libre y pueden causar el gripado cuando

se solicita una inesperada potencia del motor. Si el juego es demasiado pequeño, el

segmento del primer alojamiento trabaja casi en condiciones de gripado. Dicho

segmento, dada su proximidad a la cámara de combustión, está especialmente expuesto a

trabarse en su alojamiento; de ahí que es aconsejable colocarlo lo más bajo posible.Generalmente, la altura óptima de la primera aleta es 1/5 del diámetro. Para los motores

con elevada carga térmica, las técnicas descritas anteriormente tienen escasa

6



importancia, puesto que la elevada temperatura del primer alojamiento (200-230 'C)

produce un notable desgaste de la misma y la posibilidad de encolado del segmento. Este

inconveniente ha sido superado incorporando durante la colada en la zona del primer

alojamiento una pieza de fundición resistente al desgaste y en la que se realiza el

alojamiento del segmento. En tiempos pasados, dicho sistema no había demostrado ser

conveniente a causa del fácil aflojamiento de la pieza, con el consiguiente martilleo y

rotura del pistón; pero, gracias a las modernas técnicas de fundición, fueron superadas

dichas dificultades.

Aumento de régimen: las causas del desgaste del pistón son de 3 tipos:

rozamiento con el cilindro, acción abrasiva producida por pequeñas partículas y efecto

corrosivo de los productos de la combustión, que son ácidos fuertes (pH = 2) durante el

funcionamiento a temperaturas bajas (arranque en frío). Los remedios para disminuir al

mínimo los efectos de estas causas son: reducción de la fuerza transversal, obtenida

descentrando el bulón respecto al diámetro del pistón, y disminución del coeficiente de

rozamiento mediante el mantenimiento de una capa de aceite lubricante. Este último

factor se consigue tanto eligiendo la mejor combinación de los tipos de segmentos comoconjugando los valores de rugosidad de las superficies de contacto. Por regla general,

acabados bastos dan mejores resultados, puesto que, una vez efectuado el rodaje, los

surcos profundos ofrecen aún buenos alojamientos de permanencia del aceite. En

especial, para evitar que los surcos se conviertan en canales que se dirijan hacia la

cámara de combustión y que, por consiguiente, faciliten el paso del aceite, se suele

rectificar la superficie del cilindro de manera que se obtengan hélices entrecruzadas.

La duración del pistón depende esencialmente de la calidad del material utilizado

y de los tratamientos térmicos a que ha sido sometido. Durante el funcionamiento, el

pistón produce ruido, puesto que su movimiento no es perfectamente rectilíneo, sino que

se compone de un desplazamiento transversal, que le hace chocar con el cilindro, y de

una rotación alrededor del eje del bulón, que le hace tocar alternativamente con la cabezay con la base de la falda. Otro ruido se debe al juego de los apoyos con el bulón. La

disminución del ruido puede conseguirse dando a la falda una forma bombeada y oval.

Durante el funcionamiento del motor, las presiones y las fuerzas de inercia que actúan

sobre el pistón dan una componente transversal dirigida hacia un lado durante las fases

de expansión y de admisión, y en sentido opuesto durante la compresión y el escape.

Teniendo en cuenta que la intensidad de la fuerza transversal depende del ángulo

de inclinación de la biela, su reducción puede obtenerse teóricamente alargando mucho

la biela o bien reduciendo la carrera (y, por tanto, el radio de manivela) o, más

prácticamente, descentrando los cilindros y el bulón por la parte hacia la cual se mueve

la biela en la fase de expansión. De esta manera, durante la expansión, cuando la fuerza

vertical es mayor, la componente transversal será menor (por la distinta inclinación de la biela), mientras que se obtendrá un incremento de la misma en las fases de compresión y

escape cuando las fuerzas verticales son menores.

Las fuerzas verticales que actúan sobre el pistón son resultantes de la acción de

los gases y de las fuerzas de inercia. Ahora bien, mientras que la acción de los gases es

una fuerza activa, las fuerzas de inercia son resistencias pasivas que es necesario reducir.

Dichas fuerzas son debidas esencialmente a la masa y a la aceleración del pistón. En los

motores de competición en que el cigüeñal tiene una velocidad angular muy elevada, es

necesario reducir al máximo el peso de los pistones. Este problema no afecta solamente a

los preparadores de motores de competición, sino, sobre todo, a los constructores, a

causa del aumento continuo del número de revoluciones del motor. A 5.000 rpm, cada

pistón realiza ya 10.000 carreras por minuto.

7



Los efectos más perjudiciales de la temperatura en el cuerpo del pistón son la

disminución de las características mecánicas del material, la predisposición al desgaste y

al gripado, el agrietamiento de la cabeza, el encolado de los segmentos y la dilatación

excesiva de los bordes y de la falda. Un aspecto muy importante del problema térmico,

desde el punto de vista de la construcción, es el efecto de la dilatación de la falda. A

causa de la forma tridimensional del pistón, la dilatación se produce en las 3 dimensiones

del espacio; su magnitud depende exclusivamente de 3 factores fundamentales:

coeficiente de dilatación del material, temperatura y grosor de la zona considerada.

Si se toma en consideración una sección vertical de la falda, se observará que se

caracteriza por grosores y temperaturas decrecientes hacia abajo, con las consiguientes

dilataciones mayores en la parte alta respecto a la baja. Este inconveniente se remedia

dando a la falda una forma cónica o bombeada con diámetros inferiores en la parte alta.

Por el contrario, si se toma en consideración una sección horizontal de la falda,

ésta se caracteriza por grosores y temperaturas sensiblemente mayores en la zona de

asiento del bulón. Por tanto, si se construyese el pistón con sección circular, en caliente

se dilataría más en esa zona y asumirla forma oval. Este inconveniente se supera dando a

la falda, también en este caso, una forma oval, cuya dimensión menor esté precisamenteen el área de los apoyos. En otros términos, se da una excentricidad opuesta a la que se

genera durante el funcionamiento, de modo que, en caliente, el pistón toma una

configuración próxima a la cilíndrica. Si de esta manera se compensa la dilatación

natural del material, al mismo tiempo se aumentan los juegos de acoplamiento con el

cilindro, que resultan siempre mayores cuando, para elevar las prestaciones del motor, se

incrementa su carga térmica.

Datos estadísticos de motores Diesel

• Al subir el émbolo y comprimir el aire hasta dejarlo reducido a un volumen de 12a 24 veces menos se alcanzan temperaturas instantáneas cercanas a los 600ºC.

• Para que se produzca la autoinflamación, en el tiempo de compresión se tienen

presiones de 36 a 45 2/ cmkg , mientras que en los motores de gasolina la presión

efectiva a la que llega la mezcla no pasa de los 15 2/ cmkg .

• Por el inyector penetra en el cilindro el pequeño chorro de gasoil cuya inyección

es controlada por el pedal del acelerador. Dada la gran presión a la que entra y la

forma del inyector, el gasoil se pulveriza en forma de finísimas partículas

(niebla), cuyas primeras gotas en contacto con el aire a una temperatura muy

elevada, se vaporizan e inflaman, comunicándose el fuego al resto del gasoil a

medida que entra. El calor desarrollado dilata los gases y eleva la presión detrabajo hasta 50 a 90 2/ cmkg , según la forma de la culata (el doble de en los

motores de explosión).

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El elemento de estudio

Caracterización de la pieza

El pistón, cuyo estudio se detallará a continuación, posiblemente pertenecía a un

motor Diesel de un camión, debido a su gran diámetro, lo cual también de la pauta de

una gran cilindrada. Dada la alta compresión con la que trabajan este tipo de motores, el

sellado o cierre que hagan los segmentos debe ser muy hermético, y por ello el pistón

posee tres segmentos de compresión y uno de engrase con rascador de aceite. En la

cabeza lleva unas hendiduras o huecos para que al abrirse las válvulas no golpeen con el

émbolo en su punto máximo superior (p.m.s.), dejando muy poco espacio para

comprimir fuertemente el aire, o bien para que este adquiera el movimiento de torbellino

conveniente para la mejor combustión del gasoil. Se nota claramente la presencia de dos

válvulas por cilindro, una de admisión y otra de escape.

Los pistones en general pueden presentar varios tipos diferentes de formas en la

cabeza dependiendo del tipo de inyección y de los fabricantes. En este caso, la pieza

presenta una cámara de combustión con forma toroidal que se usa con un sistema deinyección directa de combustible, o sea, el inyector que asoma al centro de la cámara de

combustión, lanza directamente el combustible al cilindro a una presión elevada (varía

entre 130 y 300 atmósferas) para conseguir una buena pulverización.

El objetivo de este diseño es conseguir reducir al máximo lo que se llama el

retardo al inicio de la inflamación, es decir, el lapso de tiempo que transcurre entre la

entrada en el cilindro de las primeras gotas de gasoil y el momento de iniciarse la

combustión. Una vez iniciada ésta, la velocidad de propagación es superior a la de

explosión en los motores de gasolina porque se trata de una verdadera detonación, que

aquí dura más porque el combustible no está todo en el cilindro sino que va entrando poco a poco y, a medida que se inyecta, va incendiándose (principal causa del golpeo

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característico de los Diesel el cual es mas acusado en relantí por lo poco que dura la

inyección y lo instantáneo de la inflamación). El retraso se debe a que si bien las

primeras gotas de combustible se encuentran rodeadas de aire comprimido cuya

temperatura (600ºC aproximadamente) está ampliamente por encima de la necesaria para

que el gasoil se queme, la inflamación sólo ocurrirá cuando el combustible adquiera

dicha elevada temperatura. Para que este “caldeo” tenga lugar es necesario un cierto

tiempo, muy pequeño, pero apreciable, dadas las velocidades de funcionamiento que se

exigen. Si el aire del cilindro está en reposo y las primeras gotas del combustible se

encuentran casi inmóviles en ese aire, la transmisión de calor se hace con lentitud pues el

aire inmediato se enfría al contacto con el líquido. Si por el contrario hay un fuerte

movimiento relativo entre el gasoil y el aire, el cambio de calor se hace con mayor

rapidez y la inflamación sobreviene antes. Esta turbulencia se consigue por la forma del

hueco en el émbolo, muchas veces ayudada por un deflector de la válvula de admisión.

El retardo en el inicio de la inflamación no debe confundirse con el tiempo que,

en los motores de explosión, tarda la mezcla en quemarse una vez que salta la chispa,

conocido con el nombre de retardo en propagarse la inflamación. A primera vista parece

que el efecto es análogo y se corregiría adelantando la inyección (como en los motores agasolina), pero esto no basta, pues traería como consecuencia que el combustible que ha

entrado durante ese retraso al inicio de la inflamación se quemaría todo junto y el efecto

detonante sería brutal, con golpeo y vibraciones tan desagradables como perjudiciales

para el motor. Por ello, se busca reducir al mínimo dicho retraso provocando en la

cámara de compresión una fuerte turbulencia que proporcione una gran velocidad

relativa entre el aire muy caliente y las gotas del combustible pulverizado que se inyecta.

Su constitución probablemente haya sido una aleación en base a aluminio-silicio

y el proceso de fabricación casi siempre es la fundición. La misma es uno de los

procesos más antiguos pero aún vigentes donde se funden lingotes de aluminio en

crisoles (donde se calientan los metales hasta que se funden o pasan de sólido a líquido)

que luego se vacían en moldes enfriados por agua bajo sistemas especiales.

Con el objetivo de analizar la constitución y las propiedades mecánicas de la

pieza se llevaron a cabo varios ensayos y estudios de laboratorio.

• Macrografía del pistón.En primera instancia, sonaba razonable realizar una macrografia a todo el pistón

con el objetivo de visualizar el tamaño de grano, posibles inclusiones de algún tipo, nivel

de porosidad, algún tratamiento superficial probable o simplemente percibir cambios en

la macroestructura de la pieza.

Para empezar, se realizo un corte transversal por la zona del bulón con sierra de

arco manual. Si bien el proceso de corte con sierra es en general menos aconsejable queel de corte con disco abrasivo, (debido a que la deformación resultante y el

calentamiento de la muestra durante la operación suele ser mayor), se estuvo obligado a

utilizar el primer método debido a la gran dimensión de la pieza. A continuación se

procedió al desbaste y posterior esmerilado para eliminar la deformación plástica y dejar

la superficie lisa. Para esto se utilizaron lijas al agua de SiC y agua como refrigerante,

cuyos tamaños de grano van desde 60 aumentando sucesivamente hasta 600 (procurando

no cambiar de lija sin haber eliminado completamente la deformación generada por la

lija anterior).

10



Luego de dejar la superficie completamente lisa y pareja, se consultó el Metal

Handbook (9º edición) en procura de averiguar que reactivo se utiliza para atacar este

tipo de material (de antemano se conocía que este tipo de pistones generalmente esta

constituido por aleaciones de aluminio y silicio), concluyendo que el reactivo Poulton

(12ml de HCl , 6ml de 3 HNO , 1ml de HF , 1ml de O H

2 ) es el mas conveniente para

revelar la macroestructura del material.

1 Macrografía de la zona media del pistón atacada (lupa)

11



Al observar la pieza con la lupa (1.35x aprox.), se visualizó una estructura con

granos equiaxiales de tamaño relativamente grande sin insertos metálicos pero con zonas

claras fácilmente visibles de silicio. La ausencia de crecimiento dendrítico evidencia que

la pieza, en su fabricación, ha sufrido un homogéneo y regular proceso de enfriamiento

dando uniformidad a las propiedades mecánicas de la misma a medida que avanzamos en

profundidad. Se detecta una porosidad media (puntos oscuros) y la ausencia de

tratamientos superficiales ya sean químicos como térmicos, dado que no se revela ningún

cambio de estructura o composición en dicha zona.

2 Macrografía de la zona superficial del pistón atacada (lupa)

• Micrografía del pistón.Con el objetivo de descubrir y analizar la composición de la pieza con mayor

profundidad, se realizó un análisis metalográfico para revelar la microestructura. Para

llevar adelante este estudio se procedió a sacar una muestra pequeña de la otra mitad del

pistón. Luego se realizó el montaje de la muestra para la cual se utilizó uno de losmateriales termoendurecibles de uso más común, la baquelita. La misma es insoluble en

la mayoría de los solventes y reactivos generalmente empleados durante la preparación

de probetas metalográficas. Dependiendo del diámetro del molde, el tiempo de curado de

la baquelita varía de 5 a 9 minutos, a una presión de 17-29MPa y a una temperatura de

135-170°C. A continuación del montaje se efectuó el mismo proceso de desbaste y

esmerilado que para la macrografía, llegando a obtener una superficie lisa con el rallado

típico de la lija 600 solamente, para luego ser pulida mecánicamente. Los discos

empleados usan como abrasivo en su paño el diamante y la alúmina ( 32O Al ). La

secuencia fue, primero pulido con diamante para luego cambiar al disco de alúmina, ya

que esta es más fina que el abrasivo anterior. Luego de una posterior limpieza, se siguióel estudio con un ataque de la muestra con nital al 2%, la cual provocó un teñido

preferencial que reveló la microestructura al observar la pieza al microscopio óptico.

12



3 Micrografía del pistón atacado químicamente (150x)

4 Micrografía del pistón atacado químicamente (700x)

13



Se detecta con facilidad la diferencia entre los precipitados de silicio (zonas

grises) y la mezcla eutéctica de aluminio y silicio que rodea los mismos (zonas más

claras). Al comparar esta microestructura con otras fotos del Metal Handbook se

concluye que la pieza esta compuesta aproximadamente por un 20% de silicio.

Analizando el diagrama de equilibrio para el aluminio y silicio se detecta que para que se

forme silicio sólido proeutéctico, la aleación debe contener como mínimo un 12% de Si,

ya que estos dos compuestos son completamente insolubles en fase sólida. A la hora de

operar con esta aleación tampoco es conveniente aumentar demasiado el contenido de

silicio, ya que con esto, la temperatura de inicio de la solidificación se eleva cada vez

más lo cual requiere un horno más potente y, por lo tanto, más caro (incluso teniendo en

cuenta que para el enfriamiento no se utiliza este diagrama ya que no se dan condiciones

de estabilidad, en ese caso, se debería observar un diagrama de transformación).

Las aleaciones de aluminio- silicio son de gran aplicación por sus excelentes

cualidades para la fundición y su resistencia a la corrosión; no son quebradizas en

caliente y es fácil obtener con ellas fundiciones sólidas en secciones gruesas o delgadas.

5 Diagrama de equilibrio Al-Si

• Dureza Brinell al pistón.El ensayo de dureza Brinell proporciona información valiosa acerca de

compuestos metálicos y brinda una idea del valor de ciertas propiedades mecánicas como

pueden ser la resistencia tensil y compresiva, ductilidad, etc. La dureza Brinell es

específica ya que se toma el valor se un área muy pequeña, por lo tanto, muchas veces,

no representa la dureza real del material en general.

El método que se realiza para llevar a cabo el ensayo consiste en un indentor (de

diámetro D en milímetros) el cual es forzado a penetrar (debido a una carga

preestablecida F en Newton) en el material durante cierto período de tiempo. Al quitar lacarga, se mide a través de una lupa el diámetro (d) de la marca que dejo el indentor (se

14



realizan dos mediciones perpendiculares para luego obtener el promedio y aumentar la

precisión).

Luego se utiliza una fórmula brindada por la norma para obtener el valor de la

dureza en escala Brinell.

( )22..

.2102.0

d D D D

F HBW

−−×=

π

En nuestro caso, se utilizó una carga de 20kg y un indentor con un diámetro de

1mm. Se realizaron 4 ensayos en la misma pieza para obtener luego un valor promedio

que sea más acertado con el valor de la dureza real.

1ª medida

mmd

mmd

585.0

580.0

2

1

==

mmd 583.01 =⇒

2ª medida

mmd

mmd

565.0

560.0

2

1

==

mmd 563.02 =⇒

3ª medida

mmd

mmd

545.0

550.0

2

1

==

mmd 548.03 =⇒

4ª medida

mmd

mmd

565.0

555.0

2

1

==

mmd 560.04 =⇒

Utilizando los valores asignados, obtenemos:

15



mm D

N smkg F

1

133.196/80665.9.20 2

=

==

259.74

..

.2102.0

885.77

..

.2102.0

388.73

..

.2102.0

915.67

..

.2102.0

24

24

23

23

22

22

21

21

=

−−

×=

=

−−

×=

=

−−

×=

=

−−

×=

d D D D

F HBW

d D D D

F HBW

d D D D

F HBW

d D D D

F HBW

π

π

π

π

Realizando la media y calculando la desviación estándar, logramos un valor dedureza de:

( )

12.43

362.734

2

=

−

=

==

∑

∑

i

i

i

i

HBW HBW

s

HBW

HBW

• Micrografía de los segmentos.Este análisis se centró en el estudio de la composición de los segmentos ya que, a

partir de ellos, posiblemente se propagó la falla. Como se mencionó anteriormente, estos

elementos cumplen una función vital en el funcionamiento de la pieza, por lo que un

análisis profundo podría ayudar a comprender mejor la situación.

La práctica en el laboratorio consistió en extraer un pedazo de segmento y

realizar un corte con disco abrasivo para montar luego en baquelita de forma de estudiar

la parte interna de la muestra. A partir de esta etapa, se procedió de igual manera que

para la micrografía del pistón. El ataque se realizó también con nital al 2%, revelando las

siguiente microestructura.

16



6 Microestructura del segmento atacado químicamente (150x reales)

7 Microestructura del segmento atacado químicamente (1300x)

17



Comparando estas fotografías con las del Metal Handbook, es fácil detectar que

se trata de una fundición. Estas, como los aceros, son básicamente aleaciones de hierro y

carbono. En relación al diagrama hierro-carburo de hierro, las fundiciones contienen más

cantidad de carbono que la necesaria para saturar austenita a temperatura eutéctica; por

lo tanto, contienen entre 2% y 6.67% de carbono. La ductilidad de este material es muy

baja y no puede laminarse, estirarse o trabajarse a temperatura ambiente. Como la

fundición de piezas es el único proceso aplicado a estas aleaciones, se conocen como

hierros fundidos. Existen varios tipos de fundiciones que se diferencian de acuerdo con

su estructura metalográfica (condición del carbono y forma física). El carbono puede

estar combinado en forma de carburo de hierro en la cementita, o existir como carbono

sin combinar (o libre) en forma de grafito. La forma y distribución de las partículas de

carbono sin combinar influye grandemente en las propiedades físicas del hierro fundido.

En este caso, estamos presentes ante una fundición gris en la cual la mayoría del

carbono está sin combinar en la forma de escamas de grafito. Este grupo constituye una

de las aleaciones de hierro mas ampliamente utilizadas. En la manufactura de hierros

fundidos grises, la tendencia de la cementita a separarse en grafito y austenita o ferrita es

favorecida controlando la composición de aleación y las rapideces de enfriamiento. Lamayoría de los hierros fundidos grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen entre

2.5% y 4% de carbono.

Estas aleaciones solidifican formando primero austenita primaria. La apariencia

inicial de carbono combinado está en la cementita que resulta de la reacción eutéctica a

2065ºF. El proceso de grafitización es ayudado por el alto contenido de carbono, la alta

temperatura y la adecuada cantidad de elementos de grafitización, sobre todo el silicio.

El grafito aparece como muchas placas irregulares, generalmente alargadas y

curvas, las cuales se observar claramente en la figura 7 debido a su color grisáceo o

negruzco.

Durante el enfriamiento continuado, hay precipitación adicional de carbono

debido al decremento en solubilidad de carbono en austenita, el cual se precipita comografito o como cementita proeutectoide que grafitiza rápidamente. La resistencia del

hierro fundido gris depende casi por completo de la matriz en que incrustado el grafito,

la cual es determinada por la condición de la cementita eutectoide. Si la composición y

rapidez de enfriamiento son tales que la cementita eutectoide también grafitiza, entonces

la matriz será completamente ferrítica; por otro lado, si la grafitización de la cementita

eutectoide se evita, la matriz será completamente perlítica. La constitución de la matriz

puede variarse desde perlita, pasando por mezclas de perlita y ferrita en diferentes

proporciones, hasta llegar a la ferrita prácticamente pura. La mezcla grafito-ferrita es el

hierro gris más suave y débil; la resistencia y la dureza aumentan al incrementarse el

carbono combinado, alcanzando un máximo con el hierro perlítico gris.

En este caso, no se observan zonas ferríticas aún usando el mayor poder deresolución del microscopio óptico, es decir, el material de estudio presenta una matriz

casi por entero perlítica.

18



8 Sistema estable hierro-grafito (líneas punteadas) sobrepuesto en el sistema metaestable hierro-carburo de hierro

La mayoría de los hierros grises contienen entre 0.10% y 0.90% de fósforo

originario del material de hierro. La mayor parte del fósforo se combina con el hierro

para formar fosfuro de hierro (P Fe

3 ), el cual constituye un eutéctico ternario con lacementita y la austenita (perlita a temperatura ambiente). El eutéctico primario se conoce

como esteadita y es una característica normal en la microestructura de las fundiciones.

La esteadita es relativamente frágil y con alto contenido de fósforo.

Nuestro elemento de estudio no es ajeno a este fenómeno natural ya que se puede

detectar en la figura 7 la presencia de esteadita formando zonas claras que rodean la

perlita y no llegan a formar cadenas completamente.

El grafito, al ser extremadamente débil y suave, determina las propiedades

mecánicas del material las cuales tienen que ver con el tamaño, la forma y la distribución

del mismo. Las grandes hojuelas de grafito interrumpen seriamente la continuidad de la

matriz perlítica, reduciendo de esta manera la resistencia y la ductilidad del hierro gris.Las pequeñas hojuelas de grafito son menos dañinas y, por lo tanto, generalmente se

prefieren. Es por esto que la AFS (American Foundrymen’s Society) y la ASTM

(American Society for Testing Materials) prepararon tamaños estándares de hojuelas

para que sean comparados y distinguidos uno del otro. Se determinaron ocho casos que

van desde las más grandes hojuelas de grafito a las más pequeñas. Analizando nuestro

caso, concluimos que se trata de tamaños 6 o 7, o sea, que el tamaño de las hojuelas va

desde 1/16 a 1/4 de pulgada.

El método para reducir el tamaño y mejorar la distribución de las hojuelas de

grafito probablemente haya sido la adición de una pequeña cantidad de un material

llamado inoculante. Los agentes de inoculación utilizados satisfactoriamente son el

calcio metálico, aluminio, titanio, zirconio, carburo de silicio, siliciuro de calcio ocombinaciones de estos. Si bien el mecanismo exacto por medio del cual operan no se

19



conoce exactamente, posiblemente causan nucleación de austenita primaria, originando

pequeños granos, lo cual reduce el tamaño y mejora la distribución de las hojuelas.

Además de esto, la forma en que las hojuelas de grafito están ordenadas en la

microestructura también se indica como uno o más tipos preparados conjuntamente por

la AFS y la ASTM. La pieza presenta hojuelas tipo A con pequeñas zonas donde se

puede apreciar tipo D de conformación interdendrítica (sobre todo en la parte interna del

segmento). La tipo A se representa por una distribución uniforme y orientación al azar,

lo cual resulta de una estructura eutéctica completamente separada. El tamaño de las

hojuelas individuales de grafito está determinado por el de los cristales de austenita

alrededor del cual se forman.

9 Micrografía del segmento sin ataque químico (70x)

La microestructura revelada en el microscopio también permitió visualizar la

existencia de un tratamiento superficial de cromado en la zona donde el segmento rozacon la camisa del cilindro. El cromado, hecho por galvanizado, basado en la electrolisis,

es un proceso electroquímico por medio del cual se deposita una fina capa de cromo

metálico sobre objetos metálicos o incluso materiales plásticos. El llamado cromo duro

son depósitos electrolíticos de espesores relativamente grandes (0,1mm) que se depositan

en piezas que deben soportar grandes esfuerzos de desgaste y alta corrosión. Se realizan

en lugares donde se requiera bastante dureza y precisión, a diferencia del cromo

decorativo que son finas capas de cromo sólo con fines estéticos.

20



10 Micrografía del segmento con ataque químico (1300x)

• Dureza Brinell de un segmento.

La dureza del hierro gris es resultado promedio del grafito suave en el hierro y la

matriz metálica. La variación en tamaño y distribución de grafito causará ampliasvariaciones en dureza (particularmente dureza Rockwell), es por eso que se realizó un

ensayo de dureza Brinell al segmento, ya que como el indentor cubre un área mayor,

tiende a dar un valor de dureza más preciso que el medido en dureza Rockwell.

Como el método del ensayo ya se explicó anteriormente y se utilizó la misma

carga con el mismo indentor para el mismo tiempo; se procederá directamente a calcular

los valores de dureza Brinell a partir de tres medidas realizadas de diámetros (d).

1ª medida

mmd

mmd

320.0

310.0

2

1

==

mmd 315.01 =⇒

2ª medida

mmd

mmd

310.0

320.0

2

1

==

mmd 315.02 =⇒

3ª medida

mmd

mmd

310.0

305.0

2

1

==

mmd 308.03 =⇒

Teniendo en cuenta:

21



N smkg F

mm D

133.196/80665.9.20

1

2==

=

( )22..

.2102.0

d D D D

F HBW

−−×=

π

Entonces utilizando la fórmula que proporciona la norma, obtenemos:

983.261

..

.2102.0

174.250

..

.2102.0

174.250

..

.2102.0

2

3

23

2

22

2

2

12

1

=

−−

×=

=

−−

×=

=

−−

×=

d D D D

F HBW

d D D D

F HBW

d D D D

F HBW

π

π

π

Hallando la media y la desviación estándar muestral, obtenemos un valor para la

dureza:

( )

82.62

110.2543

2

=

−

=

==

∑

∑

i

i

i

i

HBW HBW

s

HBW

HBW

Con ayuda del siguiente gráfico, teniendo en cuenta el valor de dureza Brinell

hallado, podemos obtener un valor estimado de la resistencia compresiva de la fundición

gris en cuestión ( 2lg/145000 pulb aproximadamente). Este elevado valor se debe a la

resistencia que debe tener el material en el momento de la explosión en el cilindro.

Esta correlación es mucho mejor que la existente entre la resistencia tensil y

dureza, porque la resistencia compresiva suele aumentar con el incremento de dureza y

no es influida grandemente por las variaciones microestructurales como lo es la

resistencia tensil.

Avería

22



Se aprecia que el material se ha desgastado mucho en el sector de la primera

ranura del segmento y la rotura llega hasta la cabeza del pistón. Posiblemente el juego

vertical del segmento haya aumentado cada vez más, debilitando el segmento, el cual

termina rompiéndose porque no es capaz de aguantar la presión de la combustión. Los

fragmentos desprendidos del segmento adquieren cierta libertad de movimiento ya que el

tamaño de la ranura aumenta con rapidez. Una vez que dichos pedazos de segmentos se

alojan en la cámara de combustión, los mismos son aplastados contra la cabeza del

pistón y, producto de la elevada temperatura, se incrustan en el material.

Con el fin de comprobar este hecho se realizaron experimentos metalográficos los

cuales manifestaron la similitud de la microestructura de un segmento y del material que

se encuentra incrustado en la cabeza del pistón. Para esto se realizó un corte

perpendicular a la superficie de la cabeza del pistón de tal forma que su estudio revele lamicroestructura del pistón y del material alojado (fig. 11), para luego compararla con la

de un segmento en buen estado (fig. 6).

23



11. Interfase del material base del pistón y el segmento incrustado (250x)

Esta fotografía muestra la interfase del pedazo de segmento a la cabeza del pistón

(a la izquierda se encuentra el segmento de fundición y a la derecha el material base del

pistón). En este mismo estudio se pudo visualizar evidencia del golpeteo que sufrió elmaterial incrustado gracias a las fisuras que presenta.

24



12 Capa cromada en segmento incrustado en el pistón (150x)

Análisis de la fallaPara que el motor funcione correctamente, es necesario que el aire que se

introduce en el periodo de admisión, se comprima perfectamente en el tiempo siguiente

del ciclo. Si la cámara de combustión pierde hermeticidad, como en este caso, habrá

inexorablemente una perdida de potencia asociada, acompañada por un probable

consumo de aceite elevado. Estas son factiblemente las causas que llevaron a las

personas que operaban este motor a revisarlo y detectar la falla.

Causas probables

Una de las posibles causas del pasaje del fuego de la combustión hacia la zona de

los segmentos puede haber sido una mala refrigeración del cilindro que desencadena un

mal funcionamiento del lubricante. Los pistones reciben mucho calor y el agua de

refrigeración llega solo a las camisas y a las tapas de los cilindros. El enfriamiento del

pistón se hace a través de los segmentos, pero es la película de aceite la que cierra el

circuito para el paso del calor. Si la misma faltara, la transmisión de calor sería muy

pobre. Los lubricantes poseen una característica que es vital para el correcto

funcionamiento, la viscosidad. Pero más importante todavía es el comportamiento de

esta propiedad con la temperatura, para ello se define un índice de viscosidad. Existen

condiciones en la que las altas temperaturas, producto de una mala refrigeración,

provocan la rotura de la película de aceite lubricante en determinados lugares, lo cual

trae fricción directa y aún más recalentamiento de las piezas que pueden resultar en la

25



aparición de huellas continuas de gripado con superficies muy rayadas y de color oscuro.

Otra posible causa de este rompimiento de la película lubricante puede ser debido al

derrame de carburante gracias a la combustión incompleta del carburante inyectado o

una excesiva inyección de carburante; o directamente debido a un mal funcionamiento

del sistema de lubricación del motor (bomba de aceite, filtro de aceite, tubería taponada,

etc.). El pistón fricciona entonces en seco las paredes del cilindro. Las piezas metálicas

rozan unas contra otras sin la protección de la película de aceite y se produce una

superficie gripada de color metálico y no oscura.

Otra posible causa del desgaste desparejo del pistón el cual provocó la falla, se

puede asociar con alguna deformación de la biela causadas a menudo por daños motrices

que hacen que el pistón se mueva de manera oblicua en el cilindro. Los segmentos

adoptan entonces una forma elíptica y dejan de girar en el pistón. Esto produce un

desgaste desigual y el bamboleo de los segmentos.

Además de esto, los problemas pueden haber surgido a raíz de un mal rectificado

de los segmentos o de la camisa de cilindro. Estos incluyen poco holgura de los

segmentos cuya dimensión está prevista para que los ellos no se atasquen en el cilindro

cuando la máquina esté caliente. Si no hay suficiente holgura cuando la máquina esté

fría, los segmentos del pistón se desgastarán mucho, se presentarán problemas de

hermetización y se dañara el motor al calentarse.

26



Cuando se coloca un pistón y unos segmentos nuevos en un cilindro desgastado

ocurre con frecuencia que dichos segmentos golpearán el borde superior del cilindro. Los

segmentos se bambolearán entonces y no podrán seguir hermetizando bien.

Aparte de las posibles causas mencionadas anteriormente, existen otras que

tienen que ver con un mal mantenimiento como puede ser la escasa limpieza del filtro de

aire lo que ocasiona suciedad en el aire de aspiración. Este se acumula en las ranuras y

ocasiona ahí un desgaste abrasivo de las ranuras y de los flancos de los segmentos del

pistón. Eso aumentará excesivamente la holgura y los segmentos del pistón serán malguiados en las ranuras. Los segmentos se deformarán y se bambolearán durante el rodaje.

Si los segmentos están muy desgastados, pueden romperse en los flancos.

También puede ocurrir que los segmentos se bloqueen y no puedan girar

libremente durante la marcha lo cual puede ser producto de utilizar un aceite incorrecto

que no fue especificado para su uso en el motor. Cuando los segmentos del pistón estén

bloqueados por las acumulaciones de hollín o de suciedades en las ranuras, ellos no

podrán hermetizar bien y se desgastarán de manera dispareja.

27



Todos estos factores posiblemente no actúen por separado de forma

independiente, sino que, por el contrario, puede existir una combinación de ellos que

tenga como resultado un efecto de abrasión superior que desencadene una falla

rápidamente.

Zona donde ocurrió la falla

La falla no se produjo por casualidad en ese sitio de la cabeza del pistón. En la

zona adyacente a la fundida existe clara evidencia de que ocurrió un rozamiento directode la falda del pistón con la camisa del cilindro, lo cual puede haber sido el elemento que

desencadenó la falta de aislamiento de la cámara de combustión y la perdida de presión

adyacente. A medida que se fue incrementando el pasaje de fuego, seguramente se fue

agravando este roce entre las piezas. El motivo de este fenómeno se debe a que el pistón

ejerce esfuerzos de costado sobre la pared del cilindro, en el sentido del movimiento de

vaivén de la biela, es decir, transversal al eje del cigüeñal o el del bulón los cuales tienen

la misma dirección. Si observamos con atención el pistón, notamos que la falla se

produjo muy cerca de donde pasaría un eje imaginario perpendicular al eje del bulón

centrado en el eje del pistón.

A partir de un simple análisis de fuerzas y momentos sobre el pistón, se detecta

que debe existir una fuerza restauradora por parte del cilindro para que el pistón realice

su carrera en forma normal. Esto implica un mayor esfuerzo de los segmentos en esa

zona específica que con el pasar de tiempo puede presentar serios problemas a raíz del

deterioro. Este inconveniente nace a partir de que, por cuestiones de diseño, la cámara decombustión se encuentra descentrada con el eje del pistón la cual crea un cierto momento

28



que tiene que ser contrarrestado con una fuerza por parte de la camisa del cilindro de

manera de que la pieza no se tuerza en su carrera.

A continuación se presenta un razonamiento que permite explicar este problema.

Dado que el movimiento del pistón está guiado por el cilindro, su aceleración lo hace

también según ese eje. La explosión en la cámara toroidal crea una distribución de

fuerzas que puede ser modelada como una fuerza (E) en el centro de dicha cámara, la

cual se puede considerar constante mientras se quema todo el combustible dado el ciclo

Diesel. La presencia de esta cámara y el hecho de que el centro del agujero para el bulón

se encuentra por debajo del centro geométrico de la pieza (O) hace que el centro de masa

del pistón (C.M., punto de aplicación de la fuerza peso P) se corra del punto O. La fuerza

que le realiza la biela (B en sus dos direcciones, la componente horizontal se debe a la

inclinación de la biela en la carrera de explosión) se aplica al centro del agujero donde va

instalado el perno que une a la biela (punto T). Debido a este diagrama de fuerzas, es

necesario que aparezca una distribución de fuerzas efectuada por el propio cilindro, la

cual explica la aparición de una fuerza (F) a una distancia estimada k de T.

0...ˆ.

0ˆ.

.ˆ.

ˆ.

=−−=

=−=

−=−−=

−=

∑

∑∑

N k P h E d k

B N i F

am E P B j F

jaa

i

T

i

xi

pistón yi i

τ

Como E>>P N k E d .. =⇒ siendo k>0, por lo que la fuerza N no es

despreciable, la cual puede dañar el pistón o el cilindro a la larga.

Ejemplo: supongamos que como se expuso anteriormente la fuerza que provoca

la explosión es del orden de 3.000kg en un pistón de 5cm de radio. Las distancias las

podemos suponer como: d=1cm y k=5cm. Para estos valores, obtenemos un valor de

N=600kg aproximadamente, el cual no significa un valor para nada despreciable.

29



Para evitar ese extraordinario y fuerte cabeceo transversal se recurre a varios

procedimientos, como:

• Hacer la falda mas ancha que la cabeza, de modo que entre ajustada en frío y no

campanee, pero con unas ranuras que, a medida que el pistón se calienta,

permiten la dilatación de la falda a costa de las mismas, sin que aquella pueda

llegar a agarrotarse en el cilindro. En otros pistones las ranuras son tan amplias

que el esfuerzo explosivo es transmitido desde la cabeza al bulón por los nervios,

la ranura vertical se coloca del lado por el que baja la biela con el giro del motor.

• Otro sistema es poner dentro de la falda, más ancha que la cabeza, un armazón de

metal invar. (placas de acero y níquel), que no se dilata por el calor e impide la

expansión de la falda al calentarse. El mismo efecto se consigue en pequeños

pistones especialmente, con aros de metal invar, rodeando la falda a modo de

zunchos y que la comprimen cuando tiende a dilatarse en exceso.

• Otro procedimiento es hacer la cabeza del pistón de aluminio y la falda de acero.

• Además, como el esfuerzo lateral del pistón sobre la pared del cilindro se ejerce

en el sentido del movimiento de vaivén de la biela, o sea, hacia los costados

donde no están los agujeros para el bulón, puede suprimirse la parte de la faldaque prácticamente no frota, y por eso en algunos motores se usan émbolos con

“delantales en las partes frontales.

• Por último, se puede observar pistones que no son redondos con exactitud. Para

evitar el campaneo en frió se fabrican ligerísimamente ovalados (elípticos, con el

eje mayor en el sentido del campaneo), de modo que al calentarse se dilaten

quedando redondos y ajustados.

Desde el momento que comenzó la falla hasta que se detectó la misma y se

tomaron medidas al respecto, los segmentos de ese pistón no cumplieron su función de

barrer el aceite lubricante para dejar limpia la cámara de combustión, lo cual explica la

presencia de carbonilla en la cabeza del pistón. Esta última forma una costra negruzca

que se adhiere a las paredes, producida por los humos de aceite que no se queman del

todo y por el polvo que puede haber entrado con el aire por la admisión. Si a causa de

esta avería una válvula de admisión cierra mal, se producirá el pasaje de fuego para los

tubos de admisión con la perdida de presión en la cámara de combustión que esto

conlleva y hasta puede ocurrir deterioro de los conductos por donde circula el aire

succionado por el motor. Además, a medida que la costra se hace gruesa, la cámara de

combustión se achica y, por lo tanto, la compresión que sufre el aire es excesiva. Esto se

traduce en un golpetazo característico del motor al funcionar, especialmente percibido

cuando el motor va con todos los gases pero funcionando despacio, por ejemplo al subir

una cuesta un poco apurado.

30



Conclusiones

Luego de culminado el estudio, se concluye que el pistón está constituido por una

aleación de aluminio y silicio, donde el porcentaje de este último rodea el 20%.

Posiblemente el proceso de fabricado haya sido la fundición, en la cual después de

colocar la mezcla liquida en el molde, comienza la etapa de enfriamiento, donde existeuna temperatura a la que empieza a precipitar silicio proeutectoide para luego solidificar

la mezcla eutéctica (a la temperatura eutéctica). Al estudiar metalográficamente la pieza,

se detecta la presencia de granos equiaxiales lo que garantiza de algún modo la

uniformidad de las propiedades mecánicas de la misma. Los segmentos, fabricados de

fundición gris, contienen grafito que actúa como lubricante sólido ya que estas piezas

son las encargadas de guiar al pistón por el cilindro existiendo elevado rozamiento entre

ellas. Para mejorar aún más esta fricción, se revistió esta zona con una capa cromada

hecha por galvanizado que aumenta la dureza y además tiene efectos anticorrosivos. La

microestructura de los segmentos muestra una matriz casi completamente perlítica con

restos de esteadita, la cual se debe al fósforo natural que posee el hierro gris. Como era

de esperar, la dureza de los segmentos es bastante más alta (más de cuatro veces mayor)que la del pistón, lo cual se debe principalmente a la función que cada pieza desempeña

en el motor.

Por otra parte, se extrajeron varias hipótesis sobre las posibles causas que

llevaron al deterioro de la pieza, entre ellas se puede destacar un rompimiento de la

película de lubricante, el cual provoca un aumento de fricción; deformación de la biela;

desgaste excesivo por partículas que no se filtran en la admisión, etc. Posiblemente,

todas ellas no hayan actuado por separado sino que se pueden combinar aumentando los

efectos devastadores.

Por último se demostró que no por casualidad la falla se llevó a cabo en ese

preciso lugar, dado que esa zona es la que mas esfuerzo soporta para contrarrestar el

momento que le hace la fuerza de explosión al pistón.

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Referencias bibliográficas

• “Manual de automóviles”, 52ª Edición, M. Arias-Paz

• “Daño de pistones - Detección y reparación”, Andreas Bühl, Jean-Pierre Brigaud

• http://campus.fortunecity.com/duquesne/623/home/piston/piston.htm• “Introducción a la metalurgia física”, 2ª edición, Sydney H. Avner

• “Metal Handbook”, 9ª edición

• Diapositivas sobre Tribología y Desgaste del profesor C. Mantero

• “Metalografía”, M. González y R. Mussini, IEM

• “Manufactura ingeniería y tecnología”, 4ª edición, Serope Kalpakjian, Steven R.

Schmid

• http://www.cientificosaficionados.com/tecnicas/cromado%20electrolitico.htm

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monografia vedo

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