Electronica automotriz

En el artículo de “Tensile properties and fracture toughness at service temperatures of an optimized pearlitic ductile iron alloy for automotive crankshafts “ (Artola, 2022), Se discute sobre los materiales empleados en los cigüeñales de automóviles. Los datos de rendimiento mecánico disponibles para estos grados específicos de hierro fundido dúctil provienen principalmente de pruebas de tracción e impacto a temperatura ambiente. Sin embargo, el modo de falla de los cigüeñales de hierro fundido involucra la mecánica de la fractura. Diseñaron un patrón de moldeo específico para producir los materiales deseados, a saber, cigüeñales y cuñas Y2 e Y3, que se fundieron en una línea industrial de fabricación de cigüeñales

Introducción y antecedentes

Las partículas de grafito esferoidal en fundiciones dúctiles afectan fuertemente tanto al proceso de solidificación como a la transformación de austenita que determinan la estructura final observada a temperatura ambiente. El desarrollo relevante de estas aleaciones fundidas es tal que las estructuras requeridas pueden obtenerse comúnmente sin ningún tratamiento térmico controlando el contenido de algunos elementos de aleación. Como principal modo de falla de las piezas de alta seguridad tanto de hierro fundido como de acero es la fractura por fatiga, la combinación de su costo y la resistencia al daño mecánico se convierte en el factor de ventaja competitiva.

Considerando las diferencias de costo entre una pieza producida usando una aleación de hierro fundido y forjando un acero convencional templado y revenido, no parece tener sentido económico emplear cigüeñales forjados. El uso de piezas forjadas se justifica, no por aspectos económicos, sino por las ventajas que ofrecen en términos de garantía de solidez interna y alineación de las fibras de grano con las principales direcciones de las cargas.

En la actualidad, la tecnología del hierro fundido ha evolucionado hacia procesos de fabricación más robustos, que aseguran ampliamente la solidez interna de las piezas, y al uso de condiciones de enfriamiento controladas o incluso tratamientos térmicos específicos que permiten alcanzar resistencias mecánicas capaces de penetrar segmentos de mercado de piezas de acero forjado.

Figura 1. Comparación de costos de los años 90 en (a) cigüeñales recién hechos y (b) terminados adaptados de Nallicheri et al. Los datos de un acero genérico para temple y revenido (Q&T) y un acero microaleado también se han incluido como forjados para comparar. ADI son las siglas de Austempered Ductile Iron.

Trabajo experimental

Se utilizó la cuña más pesada para realizar el estudio de tenacidad a la fractura que, en general, requiere utilizar un espesor de probeta lo más cercano posible al espesor del componente de interés. En este caso, la sección seleccionada del cigüeñal tiene un espesor de 50 mm y corresponde al diámetro de todos los muñones de biela y cojinetes de bancada. En consecuencia, todas las probetas de flexión de espesor B = 40 mm se mecanizaron a partir de las cuñas Y3 ya que es el espesor más cercano a 50 mm para el que se disponía de herramientas de prueba.

El lote de masa fundida base utilizado en la presente investigación se preparó en un horno de inducción de frecuencia media (250 Hz, 12000 kW) con 16 t de capacidad. Las cargas metálicas estaban compuestas por aproximadamente un 45% de chatarra de acero y un 55% de retornos de hierro dúctil. Los contenidos de carbono y silicio se corrigieron, respectivamente, con un grafito de alta pureza y una aleación FeSi75. Posteriormente, la masa fundida preparada se transfirió en dos lotes a una cuchara de 3300 kg de capacidad que contenía 26-33 kg de una aleación de FeSiMg para realizar el tratamiento de esferificación por el método de cubrición de artesa

Una vez finalizado el tratamiento de esferoidización, los dos lotes preparados se transfirieron consecutivamente a una unidad de vertido presurizada de 10 t de capacidad desde la que se extrajeron los moldes.

Figura 2. Cigüeñal utilizado en el presente trabajo. Las áreas críticas se han marcado con rectángulos discontinuos y se han utilizado para obtener las probetas de este tipo de fundición.

Se obtuvo una muestra de metal (medalla) por lote al verter los moldes para determinar la composición química de la masa fundida. Luego se utilizó una técnica de combustión (LECO CS300) para determinar el contenido de carbono y azufre en la muestra, mientras que se utilizó espectrometría (ARL 3460) para otros elementos. Las composiciones químicas de todos los elementos significativos se muestran entabla 1 que no incluye el aporte de post-inoculación.

Table 1 Chemical composition of the melt batch used for producing all the cast parts (wt. %).

Las piezas fundidas a partir de las cuales se mecanizó cada muestra se eligieron al azar de ambos lotes de producción, de modo que cualquier efecto relacionado con el orden de producción se distribuyó aleatoriamente. Tabla 2 muestra un resumen de los diferentes ensayos realizados en el presente trabajo, las piezas de fundición relevantes, las temperaturas de ensayo y el número de probetas utilizadas y de mediciones repetidas en cada caso. Se mecanizaron muestras estándar de resistencia a la tracción según ISO 6892-1 con 10 mm de diámetro y una longitud calibrada de 50 mm a partir de las piezas fundidas.

Tabla 2 Esquema de los ensayos y condiciones mecánicas y de dureza empleadas en este trabajo.

En la parte inferior de cada muestra se generó una fisura de forma controlada que cumple con los parámetros indicados en la norma ASTM.E399 para asegurar que se conoce el valor del factor de forma y que no hay plastificación en la punta de la grieta, el grosor de las probetas de tenacidad era similar al diámetro de la biela y los muñones del cojinete principal de los cigüeñales, para realizar las pruebas de tenacidad a la fractura.

En estas circunstancias, aumenta el riesgo de que el componente se rompa de forma frágil, lo que introduce la necesidad de una mecánica de fractura. El valor se calcula utilizando el factor de forma «f» y la profundidad de la grieta «a» según la ecuación.

Resultados

Aunque se realizó una verificación primaria de algunas cuñas Y2 e Y3 para comprobar sus estructuras completamente perlíticas y para

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