ESTANDARIZACIÓN DEL PROCESO DE DISEÑO DE MOLDES Y CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS Y PRODUCTOS, EN LA LINEA

DE METALURGIA DE POLVOS DE LA EMPRESA MVM LTDA.

JAVIER ALIRIO TAMAYO TAMAYO

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2013

ESTANDARIZACIÓN DEL PROCESO DE DISEÑO DE MOLDES Y CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS Y PRODUCTOS, EN LA LINEA

DE METALURGIA DE POLVOS DE LA EMPRESA MVM LTDA.

JAVIER ALIRIO TAMAYO TAMAYO

Pasantía Institucional para optar el título de Ingeniero Mecánico

Directores Académicos

NELLY CECILIA ALBA DE SÁNCHEZ, PhD. Ingeniera Mecánica

FABER CORREA BALLESTEROS, PhD.

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2013

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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.

HELVER MAURICIO BARRERA ________________________________ Jurado HÉCTOR ENRIQUE JARAMILLO S. ________________________________ Jurado

Santiago de Cali, 17 de Junio del 2013

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Este trabajo se lo dedico a mis padres Jesús Alirio y Alba, por ser el pilar fundamental en todo lo que soy, en toda mi educación, tanto académica, como de la vida, por su incondicional apoyo perfectamente mantenido a través del tiempo, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor. Todo este trabajo ha sido posible gracias a ellos.

A mi hermana Eliana por ser el ejemplo de una hermana mayor, por apoyarme en cada momento de mi vida, por sus palabras de aliento y fe en mí. A mi sobrino, Daniel Andrés, para que veas en mí un ejemplo a seguir.

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AGRADECIMIENTOS Se de sobra que estas líneas no bastan para expresar la deuda de gratitud que me une a quienes de un modo u otro han hecho posible que escriba esta tesis, pero quiero dejar constancia de sus nombres y de mi agradecimiento. Abel Narváez Adriana González Alberto Narváez Andrés Felipe Torres Ariel Aguirre Aristides Lozano Diana Osorio Faber Correa Fernando Cánticus Francisco González Francisco Javier Romero Gerardo Madroñero Hector Mario Villafañe Javier Rubio Jesús Madroñero José Luis González José Pereira Juan Galindo León Bolaños Luis Angel Marín Luis González Luis Romero Mauricio González Mario Ocampo Miguel Angel Madroñero Nelly Cecilia Alba de Sánchez Olmedo Madroñero Oscar Madroñero Oscar Murillo Patricia Puertas Calderón Reinaldo Romero Sandra Lorena Marín Sigifredo Díaz Stella Parra Pizarro Vladimir Pipicano

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CONTENIDO

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GLOSARIO RESUMEN INTRODUCCIÓN

1. 1. ANTECEDENTES

2. 2. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA

3. 3. JUSTIFICACIÓN

4. 4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL 4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

5. 5. MARCO TEORICO 5.1 DEFINICIÓN DE METALURGIA DE POLVOS (MP) 5.2 ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN DE METALURGIA DE POLVOS (MP) 5.2.1 Determinación del Polvo base 5.2.2 Mezclado 5.2.3 Compactado 5.2.4 Sinterizado

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5.2.4.1 Sinterizado-Endurecimiento 5.2.4.2 Sinterizado en Vacío 5.3 APLICACIONES DE LA METALURGIA DE POLVOS (MP) 5.4 FLUJO, DENSIDAD Y POROSIDAD DE PIEZAS SINTERIZADAS 5.5 MATERIALES UTILIZADOS EN METALURGIA DE POLVOS 5.5.1 Bronce 5.5.2 Hierro 5.6 DUREZA 5.6.1 Dureza Rockwell (HR) 5.6.2 Dureza Vickers (HV) 5.6.3 Dureza Brinell (HB) 5.7 DESGASTE POR PIN ON DISK 5.8 LA PRENSA 5.9 CLASIFICACIÓN DE LAS PRENSAS 5.9.1 Prensas Mecánicas 5.9.2 Prensas Hidráulicas 5.10 MOLDE 6. PROCEDIMIENTO 6.1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 6.2 HOJA DE SEGUIMIENTO DE PROCESOS 6.3 DISEÑO DE INSTRUCTIVOS Y BASE DE DATOS DIGITAL 7. DETALLES EXPERIMENTALES

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7.1 FLUJOMETRÍA 7.2 DENSIDAD APARENTE 7.3 ANÁLISIS DE GUIAS 7.3.1 Selección de muestras en verde 7.3.2 Medición de la densidad a tacos en verde 7.3.3 Selección de muestras sinterizadas 7.3.4 Medición de la densidad a tacos sinterizados 7.3.5 Medición de desgaste por fricción a tacos sinterizados 7.3.6 Selección de guías de válvula terminadas 7.3.7 Medición de la densidad a guías de válvula terminadas 7.3.8 Medición de desgaste por fricción a guías de válvula terminadas 7.3.9 Medición de dureza Rockwell B (HRB) a guías de válvula terminadas 7.3.10 Medición de resistencia al desgaste mediante prueba de Pin on disk a guía de válvula terminada 7.4 ANÁLISIS DE ASIENTOS DE VÁLVULA 7.4.1 Selección de muestras en verde 7.4.2 Medición de la densidad de asientos de válvula en verde 7.4.3 Selección de muestras para sinterizar 7.4.4 Medición de la densidad en asientos de válvula sinterizados 7.4.5 Medición de desgaste por fricción en asientos de válvula sinterizados 7.4.6 Medición de dureza Rockwell C (HRC) en asientos de válvula terminados

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7.4.7 Medición de resistencia al desgaste mediante prueba de Pin on disk en asiento de válvula terminado 8. RESULTADOS

8.1 GUÍAS DE VÁLVULA 8.1.1 Densidades 8.1.2 Desgaste 8.1.3 Dureza Rockwell B (HRB) 8.1.4 Pin On Disk 8.2 ASIENTOS DE VÁLVULA 8.2.1 Densidades 8.2.2 Cambio Dimensional 8.2.3 Dureza Rockwell C (HRC) 8.2.4 Pin On Disk 9. ESTANDARIZACIÓN DE MOLDES 9.1 ESTANDARIZACIÓN PARA PRENSAS STOKES 9.2 ESTANDARIZACIÓN PARA PRENSA KUX 9.3 ESTANDARIZACIÓN PARA PRENSA HIDRÁULICA 10. CONCLUSIONES 11. RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA

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ANEXOS

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LISTA DE CUADROS

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Cuadro 1. Muestras para densidades (en verde) Cuadro 2. Muestras para densidad y desgaste Cuadro 3. Muestras para densidad, desgaste y dureza HRB Cuadro 4. Datos para el cálculo de los parámetros de ensayo en guías de válvula Cuadro 5. Muestras para densidades (en verde) Cuadro 6. Muestras en verde para sinterizar Cuadro 7. Datos para el cálculo de los parámetros de ensayo en asiento de válvula Cuadro 8. Parámetros del ensayo Pin on Disk en guía de válvula Cuadro 9. Parámetros del ensayo Pin on Disk en asiento de válvula

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Molino de bolas Atritor Figura 2. Molino de bolas Planetario Figura 3. Etapas de la producción de MP Figura 4. Prensas de moldeo por compresión: a) Mecánica, b) Hidráulica Figura 5. Esquema del proceso de sinterización: a) Entrada de la pieza en verde al horno, b) Etapas de reacción del sinterizado, c) Salida de la pieza Figura 6. Piezas obtenidas por Metalurgia de Polvos Figura 7. Polvos metálicos: a) hierro grafitado, b) bronce aleado, c) acero aleado Figura 8. Esquema de determinación de dureza Rockwell C Figura 9. Penetrador de diamante para dureza Vickers Figura 10. Esquema de tribómetro para ensayo de Pin on disk Figura 11. Esquema básico de una prensa Figura 12. Prensa mecánica Figura 13. Prensa Hidráulica de doble efecto Figura 14. Molde o matriz para compactación Figura 15. Movimientos de la herramienta de empuje durante la compactación de polvos Figura 16. Pesaje del material a analizar Figura 17. Montaje del flujómetro: a) centrado del vaso de cobre, b)

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alineación del vaso de cobre con el orificio de la copa superior, c) flujómetro alineado Figura 18. Medición de flujometría: a) comienza a fluir el material, b) termina de fluir el material Figura 19. Peso del vaso de bronce Figura 20. Paso del material por el flujómetro Figura 21. Eliminación de exceso de material: a) exceso de material, b) material a nivel Figura 22. Peso del vaso de bronce con el material Figura 23. Pesaje del taco compactado Figura 24. Montaje para determinar volumen Figura 25. Medición del volumen Figura 26. Pesaje del taco sinterizado Figura 27. Impregnador de aceite Figura 28. Máquina centrífuga Figura 29. Dispositivo sujetador de tacos Figura 30. Máquina de desgaste por fricción Figura 31. Buje friccionante: a) buje, b) limpieza del buje Figura 32. Guías de válvulas terminadas de Bronce aleado y Hierro grafitado Figura 33. Dispositivo sujetador de guías de válvula Figura 34. Equipo tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en seco; laboratorio GCIM, Universidad Autónoma de Occidente Figura 35. Muestra de guía de válvula de bronce aleado, evaluada mediante Pin on disk

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Figura 36. Pesaje del asiento de válvula compactado Figura 37. Montaje para determinar volumen Figura 38. Medición del volumen Figura 39. Dispositivo sujetador de asientos de válvula Figura 40. Montaje para desgaste por fricción Figura 41. Equipo durómetro Rockwell C, Universidad Autónoma de Occidente Figura 42. Muestra de asiento de válvula de acero aleado, evaluada mediante Pin on disk Figura 43. Gráfica de densidad de tacos y guías de válvula en bronce aleado Figura 44. Gráfica de densidad de tacos y guías de válvula en hierro grafitado Figura 45. Gráfica de desgaste por fricción de tacos y guías de válvula en bronce aleado Figura 46. Gráfica de desgaste por fricción de tacos y guías de válvula en hierro grafitado Figura 47. Gráfica de dureza Rockwell B de guías de válvula en bronce aleado Figura 48. Gráfica de dureza Rockwell B de guías de válvula en hierro grafitado Figura 49. Gráfica del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento en guía de válvula Figura 50. Gráfica de densidad de asientos de válvula en acero aleado Figura 51. Gráfica de variación de diámetros en asientos de válvula de acero aleado Figura 52. Gráfica de dureza Rockwell C de asientos de válvula en

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acero aleado Figura 53. Gráfica del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento en asientos de válvula Figura 54. Molde para compactación de asiento de válvula Figura 55. Almacén de moldes: a) moldes de piezas mezclados; b) moldes de piezas marcados y etiquetados

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LISTA DE ANEXOS

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Anexo A. Formato densidad extremos tacos en verde Anexo B. Formato densidad total tacos en verde Anexo C. Formato densidad total tacos sinterizados Anexo D. Formato desgaste por fricción para tacos sinterizados Anexo E. Formato densidad total para guías de válvula terminadas Anexo F. Formato desgaste por fricción para guías de válvula terminadas Anexo G. Formato dureza HRB para guías de válvula terminadas Anexo H. Formato densidad extremos para asientos de válvula en verde Anexo I. Formato densidad total para asientos de válvula en verde Anexo J. Formato cambios dimensionales para asientos de válvula Anexo K. Formato densidad total para asientos de válvula sinterizados Anexo L. Formato desgaste por fricción para asientos de válvula terminados Anexo M. Formato dureza HRC para asientos de válvula terminados Anexo N. Plano de Alma para prensa Stoke Anexo Ñ. Plano de Dado/Inserto para prensa Stoke Anexo O. Plano de Punch Superior Antiguo para prensa Stoke Anexo P. Plano de Punch Superior Nuevo para prensa Stoke Anexo Q. Plano de Punch Inferior para prensa Stoke

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Anexo R. Plano de Dado/Inserto para prensa Kux Anexo S. Plano de Punch Superior para prensa Kux Anexo T. Plano de Punch Inferior para prensa Kux Anexo U. Plano de Dado/Inserto para prensa Hidráulica Anexo V. Plano de Punch Superior para prensa Hidráulica Anexo W. Plano de Punch Inferior para prensa Hidráulica

Anexo X. Listado maestro de moldes

Anexo Y. Listado maestro de piezas

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GLOSARIO

ASIENTO DE VÁLVULA: es la superficie de apoyo de la cabeza de la válvula con la cámara de combustión. COMPACTACIÓN: consiste en la densificación de los polvos en una matriz mediante presión. DENSIDAD: es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia. DESGASTE: es la erosión de material sufrida por una superficie sólida por acción de otra superficie. DUREZA: es una oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. GUÍA DE VÁLVULA: casquillo de forma alargada, introducido en los agujeros apropiados realizados en la culata, dentro del cual se desliza la válvula. MOLDE: es una pieza, o un conjunto de piezas acopladas, interiormente huecas pero con los detalles e improntas exteriores del futuro sólido que se desea obtener. PRENSA: máquina que deforma materiales mediante la aplicación de presión. PULVIMETALURGIA: es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma determinada, se calientan en atmósfera controlada para la obtención de la pieza. PUNCH: o punzón, es una herramienta de acero de alta dureza, de forma cilíndrica o prismática, con una punta que al presionar sobre una superficie queda impresa en troquel. 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.

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RESUMEN

Este trabajo se realizó con el apoyo del grupo GCIM y la empresa MVM Ltda, se estudiaron materiales en polvo, tales como, bronce aleado, hierro grafitado y acero aleado, para aplicaciones en guías y asientos de válvulas. Al metal en polvo se le realizaron análisis de flujometría y densidad aparente para verificar que los datos entregados por el proveedor en la ficha técnica coincidieran con los resultados. Se procedió a obtener las aleaciones metálicas que se utilizaron para la fabricación de asientos y guías de válvulas mediante el proceso de mezclado mecánico, las piezas se sometieron a pruebas de densidad aplicando el principio de Arquímedes, desgaste por fricción, mediante el equipo de desgaste de la empresa MVM Ltda, se utilizó voltaje de 220/440, frecuencia de 60 Hz y potencia de 0,75 kw, se tomaron durezas HRB y HRC y pruebas de pin on disk para confirmar la cantidad porcentual utilizada de cada material en la aleación metálica. Se encontró que los asientos de válvula presentaron comportamiento estable en sus dimensiones y su densidad final, al igual que el comportamiento mecánico como dureza y resistencia al desgaste. Mientras que las guías de válvula de hierro grafitado presentaron disminución de su densidad a partir de la pieza en verde hasta el proceso de sinterizado, debido a que la pieza tiende a dilatarse al pasar por el horno, mientras que la masa permanece constante.

Se diseñaron los correspondientes instructivos para realizar las diferentes pruebas a los asientos y guías de válvula con el fin de tener parámetros definidos para futuros lotes de produccion. Una segunda parte del trabajo consistió en la estandarización de moldes para prensas Stokes, Kux e Hidráulica, se tomaron medidas a sus alojamientos de sujeción, para la creación de piezas conformadas por compactación de polvo. Se diseñaron planos de los moldes con medidas estandarizadas para la fabricación en la empresa MVM Ltda. Se determinó que los planos estandarizados agilizan el diseño y la fabricación de moldes para piezas nuevas que favorece tanto a los clientes como a la empresa MVM. Se cambiaron los sistemas de sujeción por brida a uno por mordaza, en el Punch Superior de las prensas Stoke, reduciendo el diametro del material de 31,6 mm a 20 mm para la fabricación del molde, lo cual genero menor desperdicio de material en la mecanizada de la pieza y menor costo tanto en materia prima como en tratamiento térmico. Con las bases de datos digitales para moldes de piezas, se ha fortalecido el departamento de ingeniería de la empresa MVM, permitiendo procesos de producción cada vez más eficientes.

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Palabras clave: Guía de válvula, asiento de válvula, hierro grafitado, bronce aleado, acero aleado, pieza en verde, pieza sinterizada.

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INTRODUCCIÓN El uso de los metales en polvos se remonta a varios centenares de años atrás. Pero fue apenas en el siglo pasado que, debido a avances tecnológicos de la segunda guerra mundial, la industria de la Metalurgia de Polvos se creó como tal. Desde entonces, gracias a los continuos avances de esta industria, la calidad y utilidad de los productos sinterizados; ha crecido más rápidamente que cualquier otro proceso de manufactura de piezas metálicas.

La Metalurgia de Polvos (MP) es un proceso de fabricación de componentes a partir de polvos metálicos puros o aleados. Mediante la consolidación, generalmente por presión de mezclas de polvo metálico, y la posterior aplicación de calor a una temperatura inferior al punto de fusión del componente principal, es posible obtener piezas y componentes de alta calidad en una gran variedad de formas con tolerancias precisas, llevando consigo un mejor aprovechamiento de la materia prima y la eliminación de etapas de fabricación, convirtiéndolo en un proceso con un costo relativamente bajo. Como futuro Ingeniero Mecánico y dado los conocimientos adquiridos a través del desarrollo de la carrera universitaria, en especial los obtenidos en las áreas de Materiales, Procesos y Diseño Mecánico, se ha propuesto dar solución a una problemática que tiene actualmente la empresa MVM Ltda, explícitamente en el Departamento de Ingeniería. Esta problemática se debe a la falta de estandarización para los procesos de moldes de prensado y reprensado; y la caracterización de materias primas y productos de la línea de Metalurgia de Polvos (MP). Con todo ello, se espera al finalizar la pasantía institucional, estandarizar los procesos de diseño de moldes y de caracterización de materias primas y productos de la línea de Metalurgia de Polvos (MP) de la empresa MVM Ltda, con el fin de fortalecer el Departamento de Ingeniería, y por consiguiente proporcionarle un mayor nivel de competitividad a la empresa con respecto a otras del territorio colombiano.

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1. ANTECEDENTES MVM Ltda es una empresa metalmecánica fundada en 1985, la cual inicia con la fabricación de bujes para eje de levas y maquinaria para la rectificación de motores. En el año 1999 desarrolla las guías para válvula de motor, en el 2003 las camisas para motor y en el 2010 desarrolla el proceso para la producción de piezas por medio de la Metalurgia de Polvos (MP), logrando así expandir sus fronteras incursionando mercados muy exigentes y competitivos como lo son: México, Venezuela, Ecuador y Estados Unidos de América. Actualmente en Colombia el mercado de autopartes se ha vuelto muy competitivo en cuanto a calidad y precios, lo cual conlleva a las empresas a realizar procesos de estandarización y de caracterización de materias primas y productos terminados respectivamente, con el propósito de ofrecerle al cliente un instructivo detallado sobre las propiedades fisicomecánicas de las piezas fabricadas y así poder manifestar mayor calidad del producto. El grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales GCIM ha trabajo en el tema de Materiales en polvo, mediante proyecto financiado por Colciencias, la Universidad del Valle, la Universidad Santiago de Cali y la Universidad Autónoma de Occidente, se diseñaron y fabricaron dos molinos para realizar aleamiento Mecánico. En la Figura 1 se presenta el Molino de bolas Atritor y en la Figura 2 el molino de bolas Planetario. Figura 1. Molino de bolas Atritor

Fuente: Grupo GCIM

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Figura 2. Molino de bolas Planetario

Fuente: Grupo GCIM Además el grupo publicó el libro Fundamentos y aspectos generales del Aleamiento Mecánico, donde se presentan resultados de varios trabajos de grado dirigidos en esta línea de investigación1. ____________________ 1 JARAMILLO SUAREZ, Héctor Enrique; ALBA DE SANCHEZ, Nelly y AVILA, Julián Arnaldo. Fundamentos y aspectos generales del Aleamiento Mecánico. Santiago de Cali 2011. Universidad Autónoma de Occidente. Grupo de Investigación en Ciencia e Ingeniería de los Materiales GCIM.

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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El Departamento de Ingeniería de la empresa MVM Ltda es una unidad creada recientemente; presenta debilidad en el proceso de prensado y reprensado en la línea de Metalurgia de Polvos (MP), debido a que la sección donde se encuentran las máquinas para efectuar estas operaciones, no tiene un instructivo detallado en cuanto a los tipos de productos que se pueden realizar en cada una de las prensas (Stokes, hidráulica y Kux), ocasionando pérdidas en tiempos de operación. La línea de Metalurgia de Polvos (MP), requiere también, que las propiedades fisicomecánicas de los productos de la nueva línea, estén estandarizadas al igual que las pruebas de verificación, por lo anterior, a la fecha se presentan deficiencias en la estandarización existente de productos.

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3. JUSTIFICACIÓN Las empresas colombianas, dedicadas a la producción de partes de automotores, requieren que sus productos sean caracterizados y estandarizados; para competir en el mercado, con el fin de proporcionar a sus clientes calidad en las piezas que producen, para favorecer la escogencia de sus productos y no los de la competencia. Actualmente la empresa MVM Ltda proyecta ampliar su portafolio de productos y para ello requiere estandarizar los procesos de diseño de moldes y caracterizar las materias primas y productos de la línea de Metalurgia de Polvos (MP). Con la realización de la pasantía institucional, se logró establecer un instructivo estándar con sus respectivas marchas de caracterización, en el cual se determinaron las pruebas a la materia prima, en cada lote del material procesado y en los productos en verde (compactados), sinterizados y terminados, provenientes de la línea de Metalurgia de Polvos (MP).

Además, se logró fortalecer la relación Industria – Universidad, importante para que nuestros estudiantes al aplicar los conocimientos adquiridos durante su carrera, contribuyan con el desarrollo de una línea nueva de producción en la industria Vallecaucana.

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4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Caracterizar la materia prima y los productos de la línea de Metalurgia de Polvos (MP) para tener un control pleno de sus etapas de producción; estandarizar el proceso de diseño de moldes y crear base de datos digital para agilizar la toma de decisiones en fabricación de nuevos productos y así fortalecer el Departamento de Ingeniería de la empresa MVM Ltda. 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Clasificar las materias primas empleadas en la línea de Metalurgia de Polvos (MP), caracterizar la materia prima mediante pruebas de densidad aparente y flujometría y diseñar un instructivo con los resultados obtenidos, que pueda ser utilizado como referencia para pruebas posteriores.

Caracterizar las guías y asientos de válvulas en verde (compactados), sinterizados y terminados, provenientes de la línea de Metalurgia de Polvos (MP) mediante pruebas de dureza Rockwell B y C y desgaste por fricción y diseñar un instructivo claro y conciso a partir de los resultados obtenidos, para proporcionarle a la empresa MVM Ltda, el procedimiento requerido para evaluar nuevos lotes de producción.

Evaluar las características de diseño de las prensas Stokes, Hidráulica, y Kux de la línea de Metalurgia de Polvos (MP), por medio de modelos de ventaja mecánica, para definir los moldes de prensado y reprensado ideales para cada prensa.

Evaluar, normalizar y establecer el proceso estándar, de los diseños de los moldes de prensado y reprensado de las prensas de compactación de polvos, con el fin de obtener una base de datos digital, que permita a la empresa MVM Ltda, decidir si cuenta con los requerimientos para la fabricación de productos solicitados por clientes.

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5. MARCO TEÓRICO 5.1 DEFINICIÓN DE METALURGIA DE POLVOS (MP) La Metalurgia de Polvos es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma determinada, se calientan en atmósfera controlada (sinterizado) para la obtención de la pieza2; esta técnica moderna de manufactura para la fabricación de piezas con alta precisión, permite obtener geometrías complejas, producir grandes series y ofrecer porosidad controlada para auto lubricación, con lo cual se hace altamente fiable y económicamente competitiva3. 5.2 ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN DE METALURGIA DE POLVOS (MP) El proceso de producción de metalurgia de polvos mostrado en la Figura 3, consta principalmente de cuatro etapas, las cuales son: Determinación del Polvo base, mezclado, prensado y sinterizado. Figura 3. Etapas de la producción de MP

Fuente: PARTES Para MOTOR Y PIEZAS SINTERIZADAS [en línea]. Santiago de Cali: MVM LTDA, 2011 [consultado 15 de noviembre del 2013]. Disponible en internet: http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html ____________________ 2 Pulvimetalurgia [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2013 [consultado 25 de julio del 2013]. Disponible en internet: . 3 GULIAEV, A.P. Metalografía. Moscú: Metalurgia, 1986. 542 p.

http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.htmlhttp://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.htmlhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Pulvimetalurgia&oldid=66361895

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5.2.1 Determinación del Polvo base. Desde el punto de vista químico, los polvos metálicos se pueden clasificar en elementales y prealeados. Los polvos elementales consisten en un metal puro y se usan en aplicaciones donde la alta pureza es importante, los más comunes son de hierro, de aluminio y de cobre. En los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada, estos se usan cuando la aleación no puede formularse mediante la mezcla de polvos elementales; entre los más comunes están ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad4. 5.2.2 Mezclado. Generalmente, para obtener las características requeridas será necesario mezclar polvos de tamaños y composiciones diferentes hasta obtener una mezcla homogénea de todos sus componentes. Igualmente se puede añadir aditivos que actúen como lubricantes durante el compactado o aglutinantes que incrementen la resistencia del compactado crudo. 5.2.3 Compactado. El polvo mezclado se comprime mediante prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz como se muestra en la Figura 4, resultando una forma que se conoce como pieza en verde o compactado crudo. Las prensas más utilizadas son uniaxiales, en la que la presión se aplica al polvo en una sola dirección. Mediante compactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica5. ___________________ 4 MIKELL, P. Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas 5 KALPAKJIAN, Serope. Manufactura, ingeniería y tecnología. Cuarta Edición. México: Pearson Educación, 2002. 1152 p.

http://es.wikipedia.org/wiki/Lubricante

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Figura 4. Prensas de moldeo por compresión: a) Mecánica b) Hidráulica

a) b)

5.2.4 Sinterizado. La etapa de la sinterización es la más importante para el proceso de la Metalurgia de Polvos (MP). Es aquí en donde la pieza adquiere la resistencia para realizar su función ingenieril para la cual se ha fabricado. Consiste básicamente en el tratamiento térmico a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del constituyente principal (con o sin aplicación conjunta de presión), a una pieza porosa, como es el compacto en verde, a fin de que las partículas se aglomeren o unan químicamente formando un cuerpo compacto y coherente como se muestra en la Figura 56.

Hay diferentes tipos de sinterizado que se pueden aplicar según sea el caso, ya sea que se requiere bajar costo, aumentar propiedades de la pieza, trabajar con un material especial, etc; entre los distintos tipos, están el sinterizado-endurecimiento y el sinterizado en vacío7.

____________________ 6 GERMAN, R.M., Sintering theory and practice, Ed. John Wiley & Sons, 1996. 550 p. 7 IVENSEN, V. A., Densification of metal powders during sintering, Ed. Consultants Bureau, 1973. 242 p.

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Figura 5. Esquema del proceso de sinterización: a) Entrada de la pieza en verde al horno, b) Etapas de reacción del sinterizado, c) Salida de la pieza

a) b) c)

5.2.4.1 Sinterizado-Endurecimiento. Se hace el tratamiento térmico del sinterizado y después se somete a una disminución de temperatura rápidamente. Esto se puede realizar gracias a los avances tecnológicos que se han logrado en los hornos para sinterizado que permiten descender la temperatura a velocidades hasta de 500C/seg. El resultado de esta operación en las piezas de acero es una estructura homogénea martensítica. Además de este excelente resultado también se obtienen tolerancias dimensionales muy precisas. Estas dos propiedades adquiridas durante el proceso de Sinterización-Endurecimiento nos permiten obviar varios procesos de pos sinterización8. 5.2.4.2 Sinterizado en Vacío. Este tipo de sinterizado es un tipo especial de sinterizado con atmósfera controlada y desde el punto de vista científico es probablemente la mejor. El vacío, en este proceso es difícil de mantener; haciendo que el Sinterizado en vacío sea casi imposible de automatizar elevando los costos. Este proceso es estándar para algunas aplicaciones especiales y raras (aunque su número se incrementa rápidamente) que demandan el trabajo en vacío. Se usa para Sinterizar aceros y metales de alta aleación. Como ya se mencionó anteriormente, en algunos casos es necesario hacer operaciones pos Sinterizado ya sea por pérdida o aumento de tolerancias dimensionales o porque el uso de la pieza requiere un tratamiento adicional9. ____________________ 8 GERMAN, R.M., Sintering theory and practice, Ed. John Wiley & Sons, 1996. 550 p. 9 IVENSEN, V. A., Densification of metal powders during sintering, Ed. Consultants Bureau, 1973. 242 p.

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5.3 APLICACIONES DE LA METALURGIA DE POLVOS (MP) Los productos que se suelen fabricar con la Metalurgia de Polvos (MP), como los observados en la Figura 6, van desde esferas diminutas para bolígrafos, engranajes, levas y bujes, productos porosos, como por ejemplo filtros y cojinetes impregnados de aceite, hasta una diversidad de partes automotores, como anillos de pistón, guías de válvulas, bielas y pistones hidráulicos. Figura 6. Piezas obtenidas por Metalurgia de Polvos

Fuente: PARTES Para MOTOR Y PIEZAS SINTERIZADAS [en línea]. Santiago de Cali: MVM LTDA, 2011 [consultado 15 de noviembre del 2013]. Disponible en internet: http://www.mvmltda.com/es/piezas_sinterizadas.html

5.4 FLUJO, DENSIDAD Y POROSIDAD DE PIEZAS SINTERIZADAS La velocidad a la cual el polvo puede fluir a través de un orificio es muy importante ya que refleja en que medida el polvo conseguirá llenar completamente el molde de una determinada pieza. La determinación de esta propiedad se lleva a cabo mediante la utilización de un aparato medidor de flujo, que consiste en un embudo de forma cónica construido bajo ciertas medidas estándar. Se mide entonces el tiempo que utiliza en salir una cantidad fija de polvo por un orificio que normalmente tiene entre 0,1 y 0,125 pulgadas. La densidad aparente es una función de las características geométricas del polvo, que esencialmente es definido por: la forma del grano, el tamaño del grano y la

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distribución estadística de formas y tamaños. Con la sinterización, los poros de la pieza prensada disminuyen, su densidad aumenta, la resistencia sube y en la pieza se produce una contracción. Como aspecto positivo, la porosidad favorece mucho la amortiguación del sonido y las vibraciones; y numerosas piezas sinterizadas se diseñan para aprovechar esa característica10. 5.5 MATERIALES UTILIZADOS EN METALURGIA DE POLVOS Entre los materiales empleados en la Metalurgia de Polvos (MP) se encuentran los no ferrosos (bronce, latón y cobre), los intermedios (bronce grafitado, bronce diluido, acero infiltrado y hierro grafitado), y los ferrosos (hierro, aceros al carbono, aceros aleados y aceros inoxidables), como se muestran en la Figura 7. Figura 7. Polvos metálicos: a) hierro grafitado, b) bronce aleado, c) acero aleado

a) b) c)

5.5.1 Bronce. Cualquiera de las distintas aleaciones compuestas sobre todo de cobre y estaño. El cinc, el plomo y otros metales se encuentran ocasionalmente en el bronce que se fabrica hoy. Los componentes del bronce varían; así, cuando contiene al menos un 10% de estaño, la aleación es dura y tiene un punto de fusión bajo. Los nombres de las variedades de bronce provienen de los componentes adicionales, como el bronce al aluminio, el bronce al manganeso y el bronce al fósforo. El bronce es más resistente y duro que cualquiera otra aleación común, excepto el acero, que le supera en resistencia a la corrosión y facilidad de lubricación11. ____________________ 10 DEGARMO, E. Paul; BLACK, J. Temple y KOHSER, Ronald A. Materiales y procesos de fabricación. Volúmen 1. Barcelona: Editorial Reverté S.A. 1994. 1255p. 11 ASKELAND, Donald .R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 3 ed. México: International Thomson Editores, 1998. 778 p.

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5.5.2 Hierro. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura. Es uno de los metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre y a que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad. El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro11. 5.6 DUREZA La dureza de un material es la resistencia que oponen los materiales a la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, etc. Las principales escalas de dureza de uso industrial son: Dureza Rockwell (HR), Dureza Vickers (HV), y Dureza Brinell (HB)12. 5.6.1 Dureza Rockwell (HR). Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero) como en la Figura 8. Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella. Si se hace un ensayo “Rockwell B”, se usa una bolita de acero de 1/16” y un peso que corresponde a 100 kg sobre la muestra. Si el ensayo es “Rockwell C”, se usa un cono de diamante y un peso de 150 kg12.

Figura 8. Esquema de determinación de dureza Rockwell C

Fuente: Fundamentos de Ciencias materiales [en línea]. Salamanca: El Rincón del Vago, 1998 [consultado 16 de noviembre del 2012]. Disponible en internet: http://html.rincondelvago.com/fundamentos-de-ciencias-materiales.html ____________________ 11 ASKELAND, Donald .R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 3 ed. México: International Thomson Editores, 1998. 778 p. 12 CALLISTER, D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Vol 2. México: Editorial Reverté S.A. 1996. 721p.

http://www.uam.es/labvfmat/labvfmat/practicas/practica1/aleacion.htm#alotropiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diamantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_no_destructivohttp://html.rincondelvago.com/fundamentos-de-ciencias-materiales.htmlhttp://html.rincondelvago.com/fundamentos-de-ciencias-materiales.html

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5.6.2 Dureza Vickers (HV). Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular como el observado en la Figura 9. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm de espesor13. Figura 9. Penetrador de diamante para dureza Vickers

Fuente: Fundamentos de Ciencias materiales [en línea]. Salamanca: El Rincón del Vago, 1998 [consultado 16 de noviembre del 2012]. Disponible en internet: http://html.rincondelvago.com/fundamentos-de-ciencias-materiales.html 5.6.3 Dureza Brinell (HB). Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción13. 5.7 DESGASTE POR PIN ON DISK Es una técnica de medida del coeficiente de desgaste, basada en la determinación del volumen del material desgastado en una muestra por la acción de una punta redondeada de un material duro, y sometida a una carga deslizándose repetidamente sobre la superficie de la muestra tal cual como en la Figura 10. El desgaste se mide por pesada o por examen de la marca producida mediante microscopia14. ____________________ 12 CALLISTER, D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Vol 2. México: Editorial Reverté S.A. 1996. 721p. 13 Ibíd. 14 MALISHEV, A.I; NIKOLAIEV, G.N. y SHUVALOV, Y.A. Tecnología de los Metales. Moscú: Mir, 1975. 432 p.

http://html.rincondelvago.com/fundamentos-de-ciencias-materiales.htmlhttp://html.rincondelvago.com/fundamentos-de-ciencias-materiales.html

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Figura 10. Esquema de tribómetro para ensayo de Pin on disk

Teniendo en cuenta este marco teórico, se caracterizaron los materiales programados en el proyecto y se dio cumplimiento a los objetivos específicos 1 y 2. 5.8 LA PRENSA La prensa es una maquina herramienta que pertenece al grupo de equipos de movimiento rectilíneo alternativo, tiene como finalidad lograr la deformación permanente o incluso cortar un determinado material mediante la aplicación de una carga. Son conocidas desde la antigüedad, empleadas prácticamente en todas las industrias, y utilizadas para actuar sobre muy distintos materiales ya sea en frio o en caliente, en cualquier operación que se requiera una fuerte presión, por ejemplo: embalar, forjar, estampar, extruir, laminar, estirar, etc. Básicamente una prensa consta de un bastidor que sostiene la bancada y un ariete, una fuente de potencia, y un mecanismo para mover el ariete linealmente y en ángulos rectos con relación a la bancada, como se observa en la Figura 1115. ____________________ 15 Cortante Máximo - Repositorio Digital EPN - Escuela Politécnica Nacional. [en línea]. Quito: 2006 [consultado 16 de noviembre del 2012]. Disponible en internet: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1540/1/CD-0844.pdf

Contrapeso

Tornillo posicionador

Sistema de arrastre

Punta

Disco

Carga aplicada

http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1540/1/CD-0844.pdf

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Figura 11. Esquema básico de una prensa

5.9 CLASIFICACIÓN DE LAS PRENSAS Su amplísima variedad permite numerosos sistemas de clasificación, esta puede estar e relación a la fuente de energía, ya sea operada manualmente o con potencia, por el tipo de ariete, la forma del bastidor, etc. Debido a la amplia diversidad de tipos de prensas, es que, por lo general se las divide en dos grandes grupos: Prensas Mecánicas y Prensas Hidráulicas. 5.9.1 Prensas Mecánicas. Las prensas mecánicas son generalmente maquinas rápidas, de bajo costo, y fáciles de mantener, pueden ser operadas manualmente, en el caso más elemental, y con motor en la mayoría de los casos, consta de seis tipos principales: Inclinable de fondo abierto, de bastidor en “c”, articulada, de montajes rectos (de acción sencilla, doble, triple), de transmisión por fondo, y de gran velocidad. En todos estos tipos de prensas operadas con motor, el funcionamiento está basado en el siguiente principio: el movimiento giratorio de un

Ariete

Bastidor

Fuente de potencia

Bancada

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motor se convierte en movimiento lineal de una corredera por medio de cigüeñales, excéntricas, o mecanismos articulados, ver ejemplo Figura 12. Figura 12. Prensa mecánica

5.9.2 Prensas Hidráulicas. Estas se diferencian de las mecánicas, en que se utiliza presión hidráulica por medio de uno o más pistones y cilindros para proporcionar el movimiento deslizante lineal, el cual empuja o comprime el material. Además, el uso de controladores PLC (Control Lógico Programable) y otros controles electrónicos ha mejorado la velocidad y la flexibilidad de estas prensas en el proceso de fabricación, lo que las ha convertido en las preferidas en la manufactura mundial, como la observada en la Figura 1316. ____________________ 16 HABICHT, F. H.; Máquinas Modernas; Editorial Continental S.A, México, 1963

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Figura 13. Prensa Hidráulica de doble efecto

5.10 MOLDE Un molde es una pieza, o un conjunto de piezas acopladas, interiormente huecas pero con los detalles e improntas en negativo del futuro sólido que se desea obtener. Los moldes en moldeo por compresión suelen tener áreas muy elevadas, por lo que las prensas utilizadas deben desarrollar elevadas fuerzas de cierre. El molde o matriz de compactación es la cavidad que contiene los polvos durante la compactación y da la forma de las paredes de la probeta compactada como se observa en la Figura 14. La presión se logra por el movimiento del o los punzones en forma axial. El ciclo de compactación de dos punzones y una guía se puede observar en la Figura 15.

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Figura 14. Molde o matriz para compactación

Figura 15. Movimientos de la herramienta de empuje durante la compactación de polvos

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6. PROCEDIMIENTO

6.1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA En esta etapa se realizó el análisis y estudió la documentación necesaria para desarrollar el proyecto con bases sólidas y ampliar el conocimiento respecto del tema que se pretendió abordar, además de constatar la veracidad de los resultados obtenidos en esta investigación, es importante anotar que, fue indispensable realizar una revisión bibliográfica permanente que permitió orientar con mayor claridad la investigación planteada. 6.2 HOJA DE SEGUIMIENTO DE PROCESOS En esta etapa se llevó un control detallado sobre las diferentes fases que conllevaron a la fabricación de productos provenientes de la línea de Metalurgia de Polvos, las cuales fueron: piezas en verde (compactadas), sinterizadas y terminadas (acabado final). Se creó una hoja de seguimiento para el proceso de fabricación de guías y asientos de válvula con los siguientes ítems: peso en verde, densidad en verde, peso sinterizado, densidad sinterizado, diámetros (interno y externo) en verde, diámetros (interno y externo) sinterizado, peso final, densidad final, porcentaje de cambio dimensional, porcentaje de lubricante absorbido (para guías de válvula). Se realizaron ensayos a la materia prima y a los dos productos terminados, estos fueron: Se inicio con ensayo de Flujometría y densidad aparente al material en polvo,

el bronce y hierro grafitado, utilizados para fabricar las guías y los asientos de válvulas.

Dureza Rockwell B, a las guías de válvulas fabricadas en bronce aleado y hierro grafitado.

Dureza Rockwell C a los asientos de válvulas fabricadas en acero aleado. Pruebas de desgate por fricción (Pin on Disk) a las guías de válvulas

fabricadas en bronce aleado. Pruebas de desgate por fricción (Pin on Disk) a los asientos de válvulas

fabricadas en acero aleado.

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6.3 DISEÑO DE INSTRUCTIVOS Y BASE DE DATOS DIGITAL Se procedió a diseñar un instructivo claro y conciso a partir de los resultados obtenidos, que se utilizará en la empresa MVM Ltda, como referencia para evaluar nuevos lotes de producción. También se procedió a crear una base de datos digital para disminuir el tiempo en la toma de decisiones, en la fabricación de nuevos productos con la utilización de prensas Stokes, Kux, e hidráulica, de acuerdo a la pieza a producir.

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7. DETALLES EXPERIMENTALES 7.1 FLUJOMETRÍA El instructivo para realizar la prueba de flujometría, se procede de la siguiente manera: Se separan aproximadamente 200 gramos del material a analizar. Se coloca

un pedazo de papel sobre la balanza y se espera que la mirilla digital se estabilice.

Posteriormente se presiona el botón “TARE” para dejar en ceros la balanza y se deposita sobre el papel 50 gramos de material, como lo muestra la Figura 16, esta operación se repite dos veces, para así obtener tres cantidades de 50 gramos cada una, teniendo en cuenta que el peso de la hoja debe ser descontado.

Figura 16. Pesaje del material a analizar

Aparte, se dispone del flujómetro de tal forma que el centro del vaso de bronce coincida con el orificio de la copa superior, como se muestra en la Figura 17.

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Figura 17. Montaje del flujómetro: a) centrado del vaso de cobre, b) alineación del vaso de cobre con el orificio de la copa superior, c) flujómetro alineado

a) b) c)

Se realiza la prueba, que consiste en medir el tiempo que se demora en pasar

cada una de las cantidades de material por la copa del flujómetro. Cuando comienza a caer dicho material, se inicia el conteo del tiempo con la ayuda de un cronómetro. Se detiene el cronómetro cuando todo el material haya caído, como lo muestra la Figura 18.

Figura 18. Medición de flujometría: a) comienza a fluir el material, b) termina de fluir el material

a) b)

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Se registra el tiempo que utiliza el material en polvo en pasar de la copa superior al vaso de bronce, de esta forma se obtienen los tres resultados de flujometría, los cuales se promedian para obtener el resultado final.

Por ultimo se compara el resultado del procedimiento con los valores registrados en los planes de control, mezclado y/o ficha técnica enviada por el proveedor.

7.2 DENSIDAD APARENTE El instructivo para realizar la prueba de densidad aparente, se procede de la siguiente manera: Se separan aproximadamente 300 gramos del material a analizar, situando el

vaso de bronce vacío sobre la balanza del laboratorio, se espera a que la mirilla se estabilice y se registra su peso como se observa en la Figura 19.

Se retira el vaso de la balanza, aparte se hace el montaje del flujómetro, de tal forma que el centro del vaso de bronce coincida con el orificio de la copa superior como lo muestra la Figura 17.

Se vierte el material en la copa del flujómetro, cerciorándose que éste cae en el vaso de bronce, como lo muestra la Figura 20.

Figura 19. Peso del vaso de bronce

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Figura 20. Paso del material por el flujómetro

Evitando que el material rebose la capacidad del vaso, se utiliza una superficie

plana para eliminar la cantidad de material sobrante, como se muestra en la Figura 21, luego se coloca el vaso sobre la balanza y se espera a que ésta se estabilice, evitando golpear el vaso.

Figura 21. Eliminación de exceso de material: a) exceso de material, b) material a nivel

a) b)

Se pesa el vaso de bronce con el material y se registra el resultado, como se muestra en la Figura 22. Esta operación se repite dos veces, para cada prueba se debe limpiar el vaso de bronce, una vez obtenidos los tres valores, se procede a aplicar la ecuación 1 para cada uno de ellos.

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(Peso vaso de bronce lleno – Peso de vaso de bronce vacío)/25,03 (1)

Se registran los valores obtenidos y se promedian para obtener el resultado final.

Figura 22. Peso del vaso de bronce con el material

Cada vez que se realiza la prueba, se elimina cualquier residuo de material de la copa.

Por último, se compara el resultado del promedio con los valores registrados en los planes de control, mezclado y/o ficha técnica enviada por el proveedor.

7.3 ANÁLISIS DE GUIAS DE VÁLVULA

7.3.1 Selección de muestras en verde. Se procede a seleccionar muestras de tacos en verde (compactados) generados en la prensa hidráulica. Las muestras se seleccionan de acuerdo al tipo de guía de válvula que se va a fabricar y también de acuerdo al material. Para la selección de las muestras en verde, se decidió escoger 2 muestras de cada referencia, tomadas aleatoriamente de la etapa de compactación; obteniendo las siguientes referencias, según el Cuadro 1, para un total de 36 muestras.

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Cuadro 1. Muestras para densidades (en verde) Referencia Material Cantidad S2001HG42

Hierro Grafitado

2 S2001HG49 2 S2007HG48 2 S2019HG51 2 S2019HG55 2 S2020HG49 2 S2020HG53 2 S2020HG54 2 S2033HG45 2 S2001L47

Bronce Aleado

2 S2006L39 2 S2007L46 2 S2016L41 2 S2016L43 2 S2020L51 2 S2032L48 2 S2032L41 2 S2006L33 2

Después de ser recolectadas las muestras, marcadas y separadas de acuerdo al tipo de material, se procede a medir las densidades. Una de las muestras es destinada para tomar medida de densidad total y la otra para la toma de medida de densidad en extremos, esto con el fin de garantizar la homogeneidad de la pieza. 7.3.2 Medición de la densidad a tacos en verde. Para la toma de medida de densidad del taco en verde, se procede de la siguiente manera: Se pesa el taco o la mitad del taco (cuando la medición es para extremos) en la

balanza, como lo muestra la Figura 23 y se registra el valor obtenido en las tablas de los anexos A y B.

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Figura 23. Pesaje del taco compactado

Se ubica un recipiente con agua en la balanza, se incorpora el sujetador del taco y se tara para llevarla a cero como lo muestra la Figura 24.

Se ubica el taco o la parte del taco en el sujetador, se sumerge en el recipiente con agua, se agita con el fin de eliminar burbujas de aire que se puedan adherir a la pieza y así evitar una medición incorrecta.

Se lee el valor obtenido en la balanza, mostrado en la Figura 25 como unidad de volumen (cm3), y se registra el valor obtenido en las tablas de los anexos A y B.

Figura 24. Montaje para determinar volumen

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Figura 25. Medición del volumen

Aplicando el principio de Arquímedes el resultado se presenta en unidad de volumen y no de peso, debido a que se obtiene el volumen de la pieza mediante la cantidad de agua desplazada, utilizando la ecuación 4:

(2)

(3) Siendo ρ= densidad (g/cm3) P= masa (g) V= volumen (cm3) ρH2O= 1 g/cm3

(4)

Con los datos obtenidos se procede a hallar el valor de densidad por medio de la ecuación 5, los cuales se registran en las tablas de los anexos A y B.

(5)

NOTA: El porcentaje de variación de densidad en extremos (%ρ) es un dato muy importante dentro de la puesta a punto de la maquina, debido a que este valor

50

define el grado de homogeneidad de densidad de la pieza a fabricar, tomando como limite máximo un valor de 2%. 7.3.3 Selección de muestras sinterizadas. Después de salir las piezas del horno sinterizador, se procede a escoger las muestras de los tacos a evaluar según el Cuadro 2. Cuadro 2. Muestras para densidad y desgaste

Referencia Material Cantidad

S2001HG42

Hierro Grafitado

2 S2001HG49 2 S2007HG48 2 S2019HG51 2 S2019HG55 2 S2020HG49 2 S2020HG53 2 S2020HG54 2 S2033HG45 2 S2001L47

Bronce Aleado

2 S2006L39 2 S2007L46 2 S2016L41 2 S2016L43 2 S2020L51 2 S2032L48 2 S2032L41 2 S2006L33 2

Después de ser recolectadas las muestras, se marcan y se separan en 2 grupos con iguales referencias; un grupo se utiliza para medir densidad del taco sinterizado y el otro para la medición de desgaste. 7.3.4 Medición de la densidad a tacos sinterizados. Para la toma de medida de densidad del taco sinterizado, se realiza el siguiente procedimiento: Se pesa el taco en la balanza y se registra el valor obtenido como lo muestra la

Figura 26.

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Figura 26. Pesaje del taco sinterizado

A diferencia del taco en verde, el taco sinterizado presenta mucha porosidad, por lo cual es necesario cubrir dicha porosidad para tener una mejor lectura del volumen de la pieza. Las muestras se introducen en un impregnador de aceite, como lo muestra la Figura 27, con el fin de cubrir los poros; posteriormente se llevan a la máquina centrifuga que se muestra en la Figura 28, para eliminar el exceso de lubricante.

Figura 27. Impregnador de aceite

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Figura 28. Máquina centrífuga

Se coloca un recipiente con agua en la balanza, se incorpora el sujetador del taco y se tara para llevarla a cero como lo muestra la Figura 24.

Se coloca el taco en el sujetador, se sumerge en el recipiente con agua agitándolo, con el fin de eliminar burbujas de aire que se puedan adherir a la pieza y así evitar una medición incorrecta.

Se registra el valor obtenido en la balanza como unidad de volumen, y con los datos obtenidos, se procede a hallar el valor de densidad por medio de la ecuación 5, los cuales se registran en la tabla del anexo C.

7.3.5 Medición de desgaste por fricción a tacos sinterizados. Para la prueba de desgaste por fricción en el taco sinterizado, se procede de la siguiente manera: Se agrupan los tacos de acuerdo al material (Hierro Grafitado, Bronce Aleado)

con el propósito de no contaminar las muestras cuando se realice el desgaste. Se prueban los tacos en el dispositivo sujetador como lo muestra la Figura 29,

los que están fuera de la longitud requerida, pasan a ser cortados para que se puedan acoplar al sujetador.

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Figura 29. Dispositivo sujetador de tacos

Se pesan uno a uno los tacos y se registra su valor en la tabla del anexo D. Se coloca el taco en el dispositivo sujetador y se hace el montaje en la

máquina de desgaste como se observa en la Figura 30. Se acciona la máquina de desgaste por un periodo de 3 minutos.

Figura 30. Máquina de desgaste por fricción

Caracteristicas

Voltaje 220/440

Frecuencia 60 Hz

Potencia 0,75 kw

Frecuencia 1720 min-1

Masa 4,2 kg

Este procedimiento se hace con cada uno de los tacos, y el buje friccionante

observado en la Figura 31, debe ser limpiado después de cada prueba para retirarle partículas de material que puedan adherirse, garantizando así un desgaste en iguales condiciones.

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Figura 31. Buje friccionante: a) buje, b) limpieza del buje

a) b)

Se pesan nuevamente los tacos y se registra su valor en la tabla del anexo D. Se introducen los tacos en el impregnador de aceite por un tiempo de 10

minutos, y posteriormente se llevan a la máquina centrifuga. Se toma lectura del peso de los tacos impregnados y se registra su valor en la

tabla del anexo D. Se procede a realizar la prueba de desgaste nuevamente a los tacos ya

impregnados, por un periodo de 3 minutos. Se desmontan, se pesan y se registra su valor en la tabla del anexo D. 7.3.6 Selección de guías de válvula terminadas. Después de terminado el ciclo de producción de las guías de válvula, se procede a la selección de muestras, como se presenta en la Figura 32 para tomar medición de densidad, hacer pruebas de desgaste y dureza HRB; se seleccionan 24 muestras según el Cuadro 3.

Figura 32. Guías de válvula terminadas de Bronce aleado y Hierro grafitado

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Cuadro 3. Muestras para densidad, desgaste y dureza HRB

Referencia taco

Referencia guía Material Cantidad

S2001L47 B4236

Bronce Aleado

2 S2016L41 B4304 2 S2020L51 B4076 2 S2020L51 B4075 2 S2032L41 B4209 2 S2006L33 B4231 2

S2007HG48 M4119

Hierro Grafitado

2 S2019HG51 M4094 2 S2019HG55 M4111 2 S2020HG53 M4076E 2 S2020HG54 M4077 2 S2033HG45 M4088 2

7.3.7 Medición de la densidad a guías de válvula terminadas. Para la prueba de densidad de las guías terminadas, se procede de la siguiente manera: Se coloca un recipiente con agua en la balanza, se incorpora el sujetador de la

guía de válvula y se tara para llevarla a cero. Se coloca la guía de válvula en el sujetador, se sumerge en el recipiente con

agua agitándolo, con el fin de eliminar burbujas de aire que se puedan adherir a la pieza y así evitar una medición incorrecta.

Se registra el valor obtenido en la balanza como unidad de volumen, y con los datos obtenidos, se halla el valor de la densidad y se registra en la tabla del anexo E.

Se pasan las guías de válvula por el horno para eliminarles el lubricante y posteriormente pasan a ser pesadas una a una.

Se registran los valores obtenidos en la tabla del anexo E y se calcula su densidad.

7.3.8 Medición de desgaste por fricción a guías de válvula terminadas. Para la prueba de desgaste por fricción en la guía de válvula terminada, se procede de la siguiente manera: Se agrupan las guías de válvula de acuerdo al material (Hierro Grafitado,

Bronce Aleado) con el propósito de no contaminar las muestras cuando se realice el desgaste.

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Se prueban las guías de válvula en el dispositivo sujetador como lo muestra la Figura 33, las que están fuera de la longitud requerida, pasan a ser cortadas para que se puedan acoplar al sujetador.

Figura 33. Dispositivo sujetador de guías de válvula

Se pesan una a una las guías de válvula y se registra su valor. Se coloca la guía de válvula en el dispositivo sujetador y se hace el montaje en

la máquina de desgaste que se observa en la Figura 30. Se acciona la máquina de desgaste por un periodo de 3 minutos. Este procedimiento se hace con cada una de las guías de válvula, y el buje

friccionante observado en la Figura 31, debe ser limpiado después de cada prueba para retirarle partículas de material que puedan adherirse, garantizando así un desgaste en igualdad de condiciones.

Se pesan nuevamente las guías de válvula y se registra su valor en la tabla del anexo F.

Se introducen las guías de válvula en el impregnador de aceite por un tiempo de 10 minutos, y posteriormente se llevan a la máquina centrifuga.

Se pesan las guías de válvula impregnadas y se registra su valor en la tabla del anexo F.

Se procede a realizar la prueba de desgaste nuevamente a las guías de válvula ya impregnadas por un periodo de 3 minutos.

Se desmontan, se pesan y se registra su valor en la tabla del anexo F. 7.3.9 Medición de dureza Rockwell B (HRB) a guías de válvula terminadas. Para la prueba de dureza Rockwell B (HRB) en las guías de válvulas terminadas, se tomaron tres medidas de dureza a cada guía de cada referencia y se determinó el valor promedio de la dureza de cada uno. Para estas pruebas se utilizó el durómetro Rockwell B (HRB) de una empresa cercana a MVM Ltda, el cual utiliza una bola de acero de 1/16” y un peso que corresponde a 100 kg sobre la muestra, los datos obtenidos se registraron en la tabla del anexo G.

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7.3.10 Medición de resistencia al desgaste mediante prueba de Pin on disk a guía de válvula terminada. Para la prueba de Pin on disk en una de las guías de válvula de bronce terminada, se evaluó el coeficiente de desgaste por fricción, utilizando el equipo tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en seco de la Universidad Autónoma de Occidente, el cual está conformado por un brazo que va unido a un porta pines, un plato porta muestras de 100 mm de diámetro, un dinamómetro electrónico que mide la fuerza de fricción y un sistema de control que permite cambiar la señal mecánica a señal eléctrica como el observado en la Figura 34. Figura 34. Equipo tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en seco; laboratorio GCIM, Universidad Autónoma de Occidente

La prueba consiste en la determinación del volumen del material desgastado en una muestra por la acción de una punta redondeada de un material duro, y sometida a una carga deslizándose repetidamente sobre la superficie de la muestra observada en la Figura 35, para la cual se utilizaron los parámetros del Cuadro 4, los cuales fueron registrados como parámetros de entrada a través del software MT 4001 – 98 del equipo.

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Figura 35. Muestra de guía de válvula de bronce aleado, evaluada mediante Pin on disk

Cuadro 4. Datos para el cálculo de los parámetros de ensayo en guías de válvula

Dato Medida Radio del circulo de recorrido 5 mm

Recorrido 1000 m Velocidad angular 200 RPM

7.4 ANÁLISIS DE ASIENTOS DE VÁLVULA 7.4.1 Selección de muestras en verde. Se procede a escoger muestras de asientos de válvula en verde (compactados) generados en la Prensa hidráulica, las muestras se escogen de acuerdo al tipo de asiento de válvula que se va a fabricar. Para la escogencia de las muestras en verde, se decidió escoger 3 muestras de cada referencia, tomadas aleatoriamente de la etapa de compactación; obteniendo las siguientes referencias, según el Cuadro 5, para un total de 33 muestras.

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Cuadro 5. Muestras para densidades (en verde)

Referencia Material Cantidad S2021A

Acero Aleado

3 S2022A 3 S2023A 3 S2024A 3 S2037A 3 S2038A 3 S2039A 3 S2040A 3 S2041A 3 S2042A 3 S2043A 3

Después de ser recolectadas las muestras, se procede a medir densidades. Una de las muestras es destinada para tomar medida de densidad total y la otra para la toma de medida de densidad en extremos; esto con el fin de garantizar la homogeneidad de la pieza. 7.4.2 Medición de la densidad de asientos de válvula en verde. Para la toma de medida de densidad del asiento de válvula en verde, se procede de la siguiente manera: Se pesa el asiento o la parte del asiento de válvula (cuando la medición es

para extremos) en la balanza y se registra el valor obtenido como lo muestra la Figura 36.

Figura 36. Pesaje del asiento de válvula compactado

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Se ubica un recipiente con agua en la balanza, se incorpora el sujetador del asiento de válvula y se tara para llevarla a cero como se observa en la Figura 24.

Se ubica el asiento o la parte del asiento de válvula en el sujetador, y se sumerge en el recipiente con agua, como se observa en la Figura 37; se agita levemente, con el fin de eliminar burbujas de aire que se puedan adherir a la pieza y así evitar una medición incorrecta.

Se registra el valor obtenido en la balanza como unidad de volumen (cm3), como se observa en la Figura 38.

Figura 37. Montaje para determinar volumen

Figura 38. Medición del volumen

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El valor obtenido se da en unidad de volumen, puesto que se obtiene el volumen de la pieza por la cantidad de agua desplazada, utilizando la ecuación 4.

Con los datos obtenidos se procede a hallar el valor de densidad por medio de la ecuación 5, estos valores se registran en las tablas de los anexos H e I.

El porcentaje de variación de densidad en extremos (%ρ) es un dato muy importante dentro de la puesta a punto de la máquina, puesto que este valor es el que define el grado de homogeneidad de densidad de la pieza a fabricar, tomando como límite máximo un valor de 2%.

7.4.3 Selección de muestras para sinterizar. Se procede a escoger muestras de asientos de válvula en verde (compactados) generados en la prensa hidráulica, las muestras se seleccionan de acuerdo al tipo de asiento de válvula que se va a fabricar. Para la escogencia de las muestras en verde para sinterizar, se decidió seleccionar 2 muestras de cada referencia, tomadas aleatoriamente de la etapa de compactación; obteniendo las siguientes referencias, según el Cuadro 6, para un total de 22 muestras. Cuadro 6. Muestras en verde para sinterizar

Referencia Material Cantidad S2021A

Acero Aleado

2 S2022A 2 S2023A 2 S2024A 2 S2037A 2 S2038A 2 S2039A 2 S2040A 2 S2041A 2 S2042A 2 S2043A 2

Después de ser recolectadas las muestras, se procede a marcar cada referencia y a medir diámetros internos y externos, los datos obtenidos se registran en la tabla del anexo J. Se procede a sinterizar los asientos debidamente identificados; al salir del horno sinterizador, se miden nuevamente los diámetros internos y

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externos de los asientos, se registran los datos obtenidos en la tabla del anexo J y se procede a calcular el porcentaje del cambio diametral. 7.4.4 Medición de la densidad en asientos de válvula sinterizados. Para la toma de medida de densidad del asiento sinterizado, se realiza el siguiente procedimiento: Se pesa el asiento de válvula en la balanza y se registra el valor obtenido como

lo muestra la Figura 36. A diferencia del asiento de válvula en verde, el asiento de válvula sinterizado

presenta porosidad, por lo cual es necesario cubrir dicha porosidad para tener una mejor lectura del volumen de la pieza. Las muestras se introducen en un impregnador de aceite, como lo muestra la Figura 27, con el fin de cubrir los poros; posteriormente se llevan a la máquina centrifuga que se muestra en la Figura 28, para eliminar el exceso de lubricante.

Se coloca un recipiente con agua en la balanza, se incorpora el sujetador del asiento de válvula y se tara para llevarla a cero como lo muestra la Figura 24.

Se coloca el asiento de válvula en el sujetador, se sumerge en el recipiente con agua agitándolo, esto con el fin de eliminar burbujas de aire que se puedan adherir a la pieza y así evitar una medición incorrecta.

Se registra el valor obtenido en la balanza como unidad de volumen, y con los datos obtenidos, se procede a hallar el valor de densidad por medio de la ecuación 5, los cuales se registran en la tabla del anexo K.

7.4.5 Medición de desgaste por fricción en asientos de válvula sinterizados. Para la prueba de desgaste por fricción en el asiento de válvula sinterizado, se procede de la siguiente manera: Se pesan uno a uno los asientos de válvula y se registra su valor. Se ubica cada asiento de válvula en el dispositivo sujetador como lo muestra la

Figura 39. Se realiza el montaje del dispositivo sujetador con el asiento de válvula en la

máquina de desgaste como se observa en la Figura 40.

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Figura 39. Dispositivo sujetador de asientos de válvula

Figura 40. Montaje para desgaste por fricción

Se acciona la máquina de desgaste por un periodo de 3 minutos. Este procedimiento se hace con cada uno de los asientos de válvula, y el buje

friccionante observado en la Figura 31, debe limpiarse después de cada prueba para retirarle partículas de material que puedan adherirse, garantizando así un desgaste en iguales condiciones.

Se pesan nuevamente los asientos de válvula y se registra su valor en la tabla del anexo L.

Se introducen los asientos de válvula en el impregnador de aceite por un tiempo de 10 minutos, y posteriormente se llevan a la máquina centrifuga.

Se pesan los asientos de válvula impregnados y se registra su valor en la tabla del anexo L.

Se procede a realizar la prueba de desgaste nuevamente a los asientos de válvula ya impregnados, por un periodo de 3 minutos.

Se desmontan, se pesan y se registra su valor en la tabla del anexo L.

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7.4.6 Medición de dureza Rockwell C (HRC) en asientos de válvula terminados. Para la prueba de dureza Rockwell C (HRC) en los asientos de válvula terminados, se tomaron dos medidas de dureza a cada cara de cada referencia, para un total de cuatro mediciones por asiento de válvula y se determinó el valor promedio de la dureza de cada uno. Para estas pruebas se utilizó el durómetro Rockwell C (HRC) observado en la Figura 41, perteneciente al laboratorio de Materiales de la Universidad Autónoma de Occidente, el cual utiliza una punta tipo cono de diamante y un peso que corresponde a 150 kg sobre la muestra, los datos obtenidos se registraron en la tabla del anexo M.

Figura 41. Equipo durómetro Rockwell C, Universidad Autónoma de Occidente

7.4.7 Medición de resistencia al desgaste mediante prueba de Pin on disk en asiento de válvula terminado. Para la prueba de Pin on disk en uno de los asientos de válvula de acero aleado, se evaluó el coeficiente de desgaste por fricción, utilizando el equipo tribómetro para ensayo de desgaste por deslizamiento en seco de la Universidad Autónoma de Occidente, el cual está conformado por un brazo que va unido a un porta pines, un plato porta muestras de 100 mm de diámetro, un dinamómetro electrónico que mide la fuerza de fricción y un sistema de control que permite cambiar la señal mecánica a señal eléctrica como se observa en la Figura 34.

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La prueba consiste en la determinación del volumen del material desgastado en una muestra por la acción de una punta redondeada de un material duro, y sometida a una carga deslizándose repetidamente sobre la superficie de la muestra observada en la Figura 42, para la cual se utilizaron los parámetros del Cuadro 7, los cuales fueron registrados como parámetros de entrada a través del software MT 4001 – 98 del equipo. Figura 42. Muestra de asiento de válvula de acero aleado, evaluada mediante Pin on disk

Cuadro 7. Datos para el cálculo de los parámetros de ensayo en asiento de válvula

Dato Medida Radio del circulo de recorrido 13 mm

Recorrido 1000 m Velocidad angular 200 RPM

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8. RESULTADOS

8.1 GUÍAS DE VÁLVULA 8.1.1 Densidades. A partir de los resultados obtenidos en los anexos A, B, C y E se han generado las Figuras 43 y 44, donde se presentan los comportamientos de los cambios de densidad de los tacos y guías de válvula para cada una de las referencias específicas; desde los tacos en verde, después del proceso de sinterizado y en la etapa final de la guía de válvula. Figura 43. Gráfica de densidad de tacos y guías de válvula en bronce aleado

En la Figura 43 se observa el incremento de densidad de los tacos de bronce aleado al pasar por el horno sinterizador, partiendo de tacos en verde compactados, hasta tacos sinterizados, mostrando incrementos en la densidad del 0,23% hasta el 3,95%; el taco de referencia S2020L51 es el que reporta el menor valor y el S2006L33 el mayor valor. Con lo anterior, se evidenció la importancia que tiene el espesor de un taco de bronce aleado frente al cambio de densidad, puesto que entre menor espesor presente la pared del taco, mayor es el incremento en su densidad.

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Por otro lado se observa el incremento de densidad que presentaron los tacos de bronce aleado al transformarse de taco sinterizado a guía de válvula terminada, presentando incrementos en la densidad del 1,01% hasta el 5,06%; siendo el taco de referencia S2006L33 el que reporta el menor valor y el S2001L47 el mayor valor. Figura 44. Gráfica de densidad de tacos y guías de válvula en hierro grafitado

En la Figura 44 se observan valores negativos en el % de cambio de densidad; esto se debe a que se manifiestó una disminución de densidad en los tacos de hierro grafitado al pasar por el horno sinterizador, partiendo de tacos en verde (compactados), hasta tacos sinterizados, obteniendo valores de 2,03% hasta 6,42%; siendo el taco de referencia S2001HG42 el que reporta el menor valor y el S2007HG48 el mayor valor. Además se observó el incremento de densidad que presentaron los tacos de hierro grafitado al transformarse de taco sinterizado a guía de válvula terminada, los cuales fueron 0,06% y 0,34% para las referencias S2019HG51 y S2007HG47 respectivamente; y la disminución representada con valores que van desde 0,52% hasta 1,46% para las referencias S2020HG54, S2020HG53 y S2019HG55.

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8.1.2 Desgaste. A partir de los resultados presentados en los anexos D y F se han generado las Figuras 45 y 46, donde se presentan los resultados del porcentaje de desgaste de material en los tacos y guías de válvula para cada una de las referencias específicas. Figura 45. Gráfica de desgaste por fricción de tacos y guías de válvula en bronce aleado

En la Figura 45 se observan los porcentajes de desgaste de material perdido, en las diferentes referencias de tacos y guías de válvula de bronce aleado, sometidos a desgaste por fricción por un periodo de 3 minutos. El porcentaje de desgaste por pérdida de material presentado en tacos sinterizados estuvo en un rango de 0,04% hasta 0,16%, siendo el taco S2016L41 el que presentó menor desgaste a la fricción y el taco S2006L33 el de mayor desgaste. También se puede observar que el porcentaje de desgaste por pérdida de material presentado en guías de válvula terminadas estuvo en un rango de 0,034% hasta

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0,28%, siendo la guía de válvula B4076 la que presentó menor desgaste a la fricción y la guía de válvula B4209 la de mayor desgaste, demostrando que las guías de bronce aleado presentan buen comportamiento al desgaste por fricción. Figura 46. Gráfica de desgaste por fricción de tacos y guías de válvula en hierro grafitado

En la Figura 46 se observan los porcentajes de desgaste de material perdido, en las diferentes referencias de tacos y guías de válvula de hierro grafitado, sometidos a desgaste por fricción por un periodo de 3 minutos. El porcentaje de desgaste por pérdida de material presentado en tacos sinterizados estuvo en un rango de 0,04% hasta 0,81%, siendo el taco S2019HG55 el que presentó menor desgaste a la fricción y el taco S2020HG53 el de mayor desgaste.

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También se puede observar que el porcentaje de desgaste por pérdida de material presentado en guías de válvula terminadas estuvo en un rango de 0,58% hasta 3,89%, siendo la guía de válvula M4077 la que presentó menor desgaste a la fricción y la guía de válvula M4088 la de mayor desgaste.

8.1.3 Dureza Rockwell B (HRB). A partir de los resultados presentados en el anexo G se han generado las Figuras 47 y 48, donde se presentan los resultados de dureza Rockwell B (HRB) de las guías de válvula para cada una de las referencias específicas. Figura 47. Gráfica de dureza Rockwell B de guías de válvula en bronce aleado

En la Figura 47 se observa el comportamiento de las guías de válvula de bronce aleado al ser sometidas a pruebas de dureza Rockwell B; encontrando durezas de 18,5 HRB hasta 50 HRB, siendo la guía de válvula de referencia B4304 la que presenta menor dureza y la B4236 la de mayor dureza. En la Figura 48 se observa el comportamiento de las guías de válvula de hierro grafitado al ser sometidas a pruebas de dureza Rockwell B; encontrando durezas de 49 HRB hasta 83,5 HRB, siendo la guía de válvula de referencia M4111 la que presenta menor dureza y la M4076E la de mayor dureza.

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Figura 48. Gráfica de dureza Rockwell B de guías de válvula en hierro grafitado

8.1.4 Pin On Disk. A partir del ensayo de desgaste por fricción Pin on disk, se obtiene el Cuadro 8 con los datos calculados de los parámetros de ensayo en guía de válvula de bronce aleado y la Figura 49 presenta la variación del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento. Cuadro 8. Parámetros del ensayo Pin on Disk en guía de válvula

Parámetro Valor Velocidad lineal (m/s) 0,524

Número de revoluciones 31831 Tempo estimado (min) 159 Tiempo estimado (h) 2,65

En la Figura 49 se presentan tres zonas, la primera zona presenta un coeficiente de fricción estático que se debe al primer contacto del pin y la probeta, la segunda zona presenta una leve estabilización del coeficiente de fricción y la tercera zona

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se identifica como el sitio donde se presenta micro soldadura de partículas, que se rompen con el paso del pin permitiendo que se establezcan nuevas superficies. Figura 49. Gráfica del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento en guías de válvula

0 200 400 600 800 1000

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45Z3Z2

Coefi

ciente

Fric

cion (

µ)

Recorrido (m)

Z1

8.2 ASIENTOS DE VÁLVULA 8.2.1 Densidades. A partir de los resultados presentados en los anexos H, I, y K se ha generado la Figura 50, donde se presentan los resultados de la densidad de los asientos de válvula para cada una de las referencias específicas; se determinó para los asientos de válvula en verde y después del proceso de sinterizado. En la Figura 50 se observa el incremento de densidad que presentaron los asientos de válvula de acero aleado al pasar por el horno sinterizador, manifestando incrementos en la densidad del 0,2% hasta el 2,19%; siendo el asiento de válvula de referencia S2038A el que reporta el menor valor y el S2043A el mayor valor. Con lo anterior, se pudo evidenciar la importancia que tiene el espesor de un asiento de válvula de acero aleado frente al cambio de densidad, puesto que el asiento que presentó mayor variación de densidad es el que tiene menor espesor de pared, el cual es de 2,72 mm.

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Figura 50. Gráfica de densidad de asientos de válvula en acero aleado

8.2.2 Cambio Dimensional. A partir de los resultados presentados en el anexo J se ha generado la Figura 51, donde se presentan los resultados del cambio dimensional de los asientos de válvula para cada una de las referencias específicas. Figura 51. Gráfica de variación de diámetros en asientos de válvula de acero aleado

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8.2.3 Dureza Rockwell C (HRC). A partir de los resultados presentados en el anexo M se ha generado la Figura 52, donde se presentan los resultados de dureza Rockwell C (HRC) de los asientos de válvula para cada una de las referencias específicas. En la Figura 52 se observa el comportamiento de los asientos de válvula de acero aleado al ser sometidos a pruebas de dureza Rockwell C; encontrando durezas promedio de 12,7 HRC hasta 38,5 HRC, siendo el asiento de válvula de referencia S2041A el que presenta menor dureza y el S2024A el de mayor dureza. Figura 52. Gráfica de dureza Rockwell C de asientos de válvula en acero aleado

8.2.4 Pin On Disk. A partir del ensayo de desgaste por fricción Pin on disk, se obtiene el Cuadro 9 con los datos calculados de los parámetros de ensayo en asiento de válvula de acero aleado y la Figura 53 presenta la variación del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento.

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Cuadro 9. Parámetros de ensayo Pin on disk en asiento de válvula

Parámetro Valor Velocidad lineal (m/s) 1,36

Número de revoluciones 12243 Tempo estimado (min) 61 Tiempo estimado (h) 1,02

Figura 53. Gráfica del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento en asientos de válvula

0 200 400 600 800 10000,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9 Z3Z2

Coef

icien

te F

riccio

n (µ

)

Recorrido (m)

Z1

En la Figura 53 se presentan tres zonas, la primera zona presenta un coeficiente de fricción estático que se debe al primer contacto del pin y la probeta, la segunda zona presenta un comportamiento ascendente en el coeficiente de fricción, el cual se atribuye a el desprendimiento de material y la tercera zona se identifica como una zona de estabilización, donde se presenta micro soldadura de partículas, que se rompen con el paso del pin permitiendo la formación de nuevas superficies.

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9. ESTANDARIZACIÓN DE MOLDES Para la estandarización de moldes de la empresa MVM Ltda, como el observado en la Figura 54, el cual se compone de: dado/inserto, punch superior, punch inferior y alma, se procedió a tomar mediciones de cada uno de los componentes de sujeción de las prensas Stokes, Kux e Hidráulica; con el fin de tener unos parámetros de medida de moldes para evitar tener que fabricar complementos o adaptaciones para moldes fuera de medidas. Figura 54. Molde para compactación de asiento de válvula

Con estos datos se procedió a realizar los planos con sus respectivas medidas estándar, para tener un patrón de medidas para la fabricación de nuevos moldes, y para la estandarización de los moldes actuales. 9.1 ESTANDARIZACIÓN PARA PRENSAS STOKES Para las prensas Stokes, se procedió a la creación de planos de moldes para el alma, el dado/inserto, el punch superior y el punch inferior con sus respectivas medidas y tolerancias, tal como se observa en los anexos N, Ñ, O, P y Q.

Punch Inferior Punch Superior

Alma

Dado

Inserto

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Para la estandarización del Punch Superior, el cual se muestra en el anexo P, se decidio eliminar las escalas que tenia el Punch Superior antiguo como se observa en el anexo O y cambiar de un sistema de sujeción por brida a uno por mordaza, esto con el proposito de reducir el diametro del material para la fabricación del molde, el cual tenia un diametro de 31,6 mm y actualmente es de 20 mm, lo cual genera menos desperdicio de material en la mecanizada de la pieza y menor costo en materia prima y tratamiento térmico puesto que se requiere de un material con menores medidas para fabricar la pieza. 9.2 ESTANDARIZACIÓN PARA PRENSA KUX Para la prensa Kux, se procedió a medir la distancia de los alojamientos y el recorrido de la máquina para definir las medidas y tolerancias de ajuste que se requieren para la creación de planos de moldes para el dado/inserto, el punch superior y el punch inferior, tal como se observa en los anexos R, S y T. Esto con el fin de obtener piezas con la mayor longitud posible y aprovechar al máximo las 70 toneladas que puede generar esta prensa. 9.3 ESTANDARIZACIÓN PARA PRENSA HIDRÁULICA Para la prensa Hidráulica, se procedió a la creación de planos de moldes para el dado/inserto, el punch superior y el punch inferior con sus respectivas medidas y tolerancias, a partir de la distancia máxima de recorrido que puede generar la prensa, esto con el fin de obtener tacos para creación de guías de válvula con mayor longitud de la que se venía produciendo y también para optimizar la cantidad de material que se requiere para la fabricación de un molde para un nuevo producto, tal como se observa en los anexos U, V y W. Con los planos de los anexos N hasta el W, se ha logrado disminuir considerablemente los tiempos de producción de piezas elaboradas con moldes de clientes, esto se debe a que estos planos son enviados a los clientes que desean elaborar sus moldes por fuera de MVM; garantizando que dichos moldes al llegar a la empresa cumplan con las medidas de los alojamientos de las prensas Stokes, Kux e Hidraúlica. El tiempo promedio de montaje de un molde enviado por un cliente era de 1 a 3 horas, puesto que este era el tiempo requerido para el ajuste de medidas y fabricacion de piezas de acoplamiento entre el molde y la prensa. Actualmente con

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la estandarizacion de medidas, el montaje completo de un molde requiere de 20 a 40 minutos. Después de estandarizar planos de moldes para prensas, se procedió a marcar con pirograbador cada molde de las distintas referencias que se utilizan actualmente en producción, etiquetando bolsas y estantería como se muestra en la Figura 55 y separando moldes activos de los inactivos, con el propósito de disminuir tiempos en localización de moldes. Figura 55. Almacén de moldes: a) moldes de piezas mezclados; b) moldes de piezas marcados y etiquetados

a) b)

A la fecha, la empresa MVM; cuenta con una base de datos actualizada de la existencia de moldes activos e inactivos, que se encuentran en las instalaciones de la empresa y los moldes que son propiedad de los clientes y están fuera de la empresa, como se observa en el anexo X. También dispone de una base de datos actualizada con la existencia de piezas fabricadas en la empresa con pará