analisis de falla de una cabeza de bomba de combustible

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IBEROMET XI X CONAMET/SAM 2 al 5 de Noviembre de 2010, Viña del Mar, CHILE ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE, AGRIETADA INTERNAMENTE M.A. Neri (1) , C. Carreño (1) y A. Martinez-Villafañe (1) (1) Departamento de Física de Materiales, Centro de Investigación en Materiales Avanzados S. C., Chihuahua, México. E-mail: [email protected] RESUMEN En el presente trabajo se determinaron las causas del agrietamiento localizado en el interior de la cabeza de una bomba de combustible, fabricada con un acero SAE 4340 tratado térmicamente por medio de temple en nitrógeno gaseoso, seguido de un nitrurado para obtener una capa con espesor entre 0.0 y 7 µm. Se caracterizó el material de la cabeza por medio de análisis químico, metalografía, perfil de dureza, microscopia óptica, y microscopia electrónica de barrido con EDX. Se determinó que el contenido de manganeso estaba por encima del rango especificado para un acero SAE4340, que la microestructura del acero era de martensita y estaba dentro de especificaciones, el perfil de microdureza estaba de acuerdo con lo establecido en las especificaciones, y la capa de nitrurado estaba dentro del rango especificado. Por medio de microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido se detectaron inclusiones de sulfuro de manganeso alargadas en el interior de la microestructura del acero, y a lo largo de la superficie fracturada, propagándose las grietas a través de estas inclusiones no metálicas, como lo muestran las fotografías. Las inclusiones alargadas de sulfuro de manganeso actuaron como concentradores de esfuerzos, originando la formación de grietas que causaron la fractura. Tópico 2: Materiales Metálicos Palabras clave: (Análisis de falla, Microestructura, Inclusiones no metálicas, Sulfuro de manganeso). 1. INTRODUCCIÓN El motor Diesel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del Diesel. Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Esta es la llamada auto inflamación. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900ºC). Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. Esta expansión, al revés de lo que ocurre con el motor de gasolina, se hace a presión constante ya que continúa durante la carrera de trabajo o de expansión. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación.

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Page 1: ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE

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ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE, AGRIETADA

INTERNAMENTE

M.A. Neri (1), C. Carreño(1) y A. Martinez-Villafañe (1)

(1) Departamento de Física de Materiales, Centro de Investigación en Materiales Avanzados S. C., Chihuahua, México.

E-mail: [email protected]

RESUMEN En el presente trabajo se determinaron las causas del agrietamiento localizado en el interior de la cabeza de

una bomba de combustible, fabricada con un acero SAE 4340 tratado térmicamente por medio de temple en

nitrógeno gaseoso, seguido de un nitrurado para obtener una capa con espesor entre 0.0 y 7 µm. Se caracterizó

el material de la cabeza por medio de análisis químico, metalografía, perfil de dureza, microscopia óptica, y

microscopia electrónica de barrido con EDX. Se determinó que el contenido de manganeso estaba por encima

del rango especificado para un acero SAE4340, que la microestructura del acero era de martensita y estaba

dentro de especificaciones, el perfil de microdureza estaba de acuerdo con lo establecido en las

especificaciones, y la capa de nitrurado estaba dentro del rango especificado. Por medio de microscopia óptica

y microscopia electrónica de barrido se detectaron inclusiones de sulfuro de manganeso alargadas en el interior

de la microestructura del acero, y a lo largo de la superficie fracturada, propagándose las grietas a través de

estas inclusiones no metálicas, como lo muestran las fotografías. Las inclusiones alargadas de sulfuro de

manganeso actuaron como concentradores de esfuerzos, originando la formación de grietas que causaron la

fractura.

Tópico 2: Materiales Metálicos

Palabras clave: (Análisis de falla, Microestructura, Inclusiones no metálicas, Sulfuro de manganeso).

1. INTRODUCCIÓN

El motor Diesel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible

se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el

principio del ciclo del Diesel. Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible

al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de

inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de

autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Esta es la llamada auto

inflamación. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior

de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que presenta el inyector

de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900ºC). Como

resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la

cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. Esta expansión, al revés de lo que ocurre con el

motor de gasolina, se hace a presión constante ya que continúa durante la carrera de trabajo o de

expansión. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el

movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación.

Page 2: ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE

En este tipo de motores se requiere un sistema de inyección de combustible para el funcionamiento del motor.

Dentro del sistema de inyección de combustible se encuentra la bomba de inyección, la cual es muy robusta y

esta fabricada en un acero SAE 4340 templado y revenido, además de llevar un tratamiento térmico superficial

de nitrurado. Las bombas de combustible trabajan en condiciones de fatiga al estar sujetas a esfuerzos cíclicos, y

pueden fallar por medio del mecanismo de fatiga.

En el presente trabajo se analizó una cabeza de bomba de combustible, fabricada con acero SAE 4340 templado

y revenido, la cuál falló después de un cierto kilometraje, determinándose las causas de la falla de dicha pieza.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Identificación de la zona fallada En las Fotografías N° 1a y 1b se muestra la cabeza de bomba de combustible analizada, señalando la zona de la

falla por medio de un circulo rojo. La falla corrió desde la zona del barreno de la Fotografía N° 1ª (vista anterior

de la bomba), hasta el interior de la zona maquinada y tratada térmicamente, mostrada en la Fotografía N° 1b

(vista posterior de la bomba).

a) b)

Fotografía N° 1.- a) Cabeza de bomba de combustible vista anterior. B) Cabeza de bomba de combustible

vista posterior, el circulo rojo señala la zona de la falla. Análisis estereoscópico Por medio de un estereoscopio marca Olympus se tomaron fotografías a bajos aumentos, para observar las

características de la grieta presente en la pieza analizada. En las fotografías N° 2 a y 2 b se observa que la grieta

atraviesa la pieza desde las paredes del barreno de la Fotografía N° 1a, hasta el fondo del barreno de la

Fotografía N° 1b, ocasionando una fuga de combustible a través de la grieta.

En la Fotografía N° 3 se muestra la grieta localizada en el barreno de la Fotografía N° 2b, vista a mayores

aumentos. Se aprecia que la grieta corre de lado a lado del fondo del barreno.

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a) b)

Fotografía N° 2.- a) Cabeza de bomba de combustible vista anterior. b) Cabeza de bomba de combustible vista posterior, las flechas rojas indican la zona agrietada.

Fotografía N° 3.- Grieta que corre de lado a lado del fondo del barreno mostrado en la Fotografía N° 2b. Caracterización metalúrgica La caracterización metalúrgica del material comprende los siguientes análisis:

Análisis químico del material, análisis metalográfico y microestructural, análisis por microscopia electrónica de

barrido y EDX, y perfil de dureza en la zona cercana a la grieta.

Análisis químico del material Por medio de un espectrómetro de emisión de plasma (ICP) marca Thermo Jarrel Ash , modelo Iris Duo, se

determinó la composición química de la cabeza y se comparo con la composición nominal de un acero SAE

4340.

Análisis metalográfico y microestructural La cabeza se seccionó utilizando un disco de corte abrasivo de alumina, para corte de materiales con dureza de

hasta 50 R”C”, y una cortadora marca Struers modelo Exotom. Posteriormente se prepararon las muestras para

su observación metalográfica utilizando para su desbaste grueso lijas de grado 180, 220, 320, 400, 600 y 1200,

para someter a la muestras al pulido final utilizando un paño de terciopelo fino, y alumina en suspensión de 1

micra. Las muestras se pulieron hasta obtener un acabado a espejo para posteriormente atacarlas con una

Page 4: ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE

solución de Nital al 2%, y revelar su microestructura. Se tomaron fotografías de las muestras pulidas sin atacar

para observar las inclusiones no metálicas contenidas en el acero, y posteriormente se atacaron para observar su

microestructura.

Análisis por microscopia electrónica de barrido y EDX Las muestras preparadas para su observación metalográfica fueron analizadas por medio de microscopia

electrónica de barrido utilizando un microscopio marca JEOL, modelo 5800LV equipado con un detector de

Energía dispersiva de rayos X, marca EDAX. Mediante esta técnica se analizaron las muestras a mayores

aumentos para observar con mayor detalle las características de las inclusiones no metálicas, la microestructura

del acero, las características de las grietas presentes en el material, y las características de la superficie de

fractura. La superficie de fractura se obtuvo después de introducir a la pieza seccionada cerca de la zona

agrietada internamente, en un baño de nitrógeno líquido y golpearla con un martillo para terminar de propagar la

grieta, y así obtener la superficie de fractura expuesta.

Por medio de EDX se determinaron los elementos presentes en las inclusiones no metálicas, para determinar su

naturaleza.

Perfil de dureza en la zona cercana al domo La cabeza se secciono transversalmente en la zona cercana al domo como se muestra en la Fotografía N° 4, para

obtener el perfil de dureza que va desde la orilla de la capa nitrurada, hasta el interior de la pieza tratada

térmicamente. El equipo utilizado fue un Micro-durómetro marca Shimadzu.

Fotografía N° 4.- Pieza seccionada transversalmente mostrando la ubicación de la zona denominada “domo”, indicada por el circulo rojo, de la cual se obtuvo el perfil de dureza desde la capa nitrurada hasta el interior de la pieza.

Page 5: ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE

Fractografía

En la fotografía N° 5 se muestra la superficie de fractura de la muestra analizada en la zona cercana al domo,

localizada dentro del circulo rojo. Para obtener esta superficie de fractura se sumergió la pieza a un baño de

nitrógeno líquido, y se le golpeo con un martillo para que se fracturara..También se aprecia que en la zona

fracturada existen unas “huellas de playa”, típicas de una fractura por fatiga.

Fotografía N° 5.- Superficie de fractura de la pieza, en la zona del cuadro rojo se aprecian “huellas de playa”, típicas de una falla por fatiga.

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis químico En la Tabla N° 1 se muestran los resultados obtenidos del análisis químico de las rebabas obtenidas de la

muestra de la cabeza de la bomba de combustible, y se comparan con la composición química nominal de una

acero SAE 4340.

Tabla N°1.-Composición química Nominal del acero SAE 4340 y de la muestra analizada. Muestra %C %Si %Mn %P %S %Cr %Ni %Mo

Composicion nominal SAE 4340

0.38-0.43

0.15-0.30

0.6-0.8 0.035 máx.

0.015-0.25

0.70-0.90

1.65-2.0 0.2-0.3

Cabeza

agrietada

0.407 0.233 0.815 N.D. 0.008 0.770 1.885 0.284

El contenido de carbono, silicio, cromo, níquel y molibdeno están-+0+ dentro del rango especificado en

la composición nominal del acero SAE 4340, el contenido de manganeso esta ligeramente por encima

del rango especificado (0.6-0.8%), y el contenido de azufre esta por debajo del rango especificado

(0.015-0.25%).

Microestructura La Fotografía N° 6 fue tomada en la muestra de acero antes de atacarla químicamente la cual muestra algunas

inclusiones no metalicas alargadas asociadas con grietas, en la microestructura de la cabeza de la bomba de

combustible.

En la Fotografía N° 7 se observa la microestructura de martensita revenida gruesa, sin bainita, en el centro de la

pieza.

En la fotografía N° 8 se muestran inclusiones no metálicas cerca de la zona de la grieta principal, estas

inclusiones están asociadas con grietas secundarias localizadas en la parte inferior.

En la Fotografía N° 9 se observa el espesor de la capa nitrurada blanca, el cual fue de 9.99 µm. y una

microestructura de martensita.

Fotografía N° 6.- Inclusiones no metálicas. Fotografía N° 7.- Microestructura de martensita.

Page 7: ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE

Fotografía N° 8.- Grieta cercana a inclusiones. Fotografía N° 9.- Espesor de capa nitrurada blanca. Microscopia electrónica de barrido y EDX En la Fotografía N° 10 se observan las inclusiones no metálicas siguiendo la trayectoria de propagación de la

grieta en una muestra sin ataque químico. Se aprecia una grieta principal y algunas grietas secundarias asociadas

con las inclusiones no metálicas de Sulfuro de manganeso, las grietas secundarias corren a través de las

inclusiones no metálicas.

En la Fotografía N° 11 se observan una inclusión no metálica situada en la superficie de fractura de la muestra

analizada. La fractura sigue una trayectoria que pasa a través de las inclusiones. Por medio de EDX se

determinaron los elementos presentes en las inclusiones detectándose azufre (40.61%) y manganeso (59.39%)

principalmente. La presencia de imperfecciones en la microestructura del acero puede incrementar el riesgo de

agrietamiento en la pieza, imperfecciones como grietas muy pequeñas, inclusiones alargadas, partículas de

segundas fases, y defectos debidos a un maquinado previo, pueden actuar como concentradores de esfuerzos(1-3).

En sitios lejanos a estos defectos, los esfuerzos son solamente esfuerzos nominales, lo cual no representa un

problema si el esfuerzo aplicado esta por debajo del limite elástico. Sin embargo en la vecindad de defectos

pequeños o grietas pequeñas, la situación cambia y los esfuerzos son amplificados en los extremos de estos

defectos, debido a esto son llamados concentradores de esfuerzos, y son muy importantes durante el templado de

los aceros, así como en el servicio.

Fotografía N° 10.- Inclusiones asociadas con grietas. Fotografía N° 11.- Inclusiones de MnS en fractura.

Page 8: ANALISIS DE FALLA DE UNA CABEZA DE BOMBA DE COMBUSTIBLE

Perfil de dureza La minima dureza permitida para la capa nitrurada debe ser de 650 HK , y la dureza minima para definer la

profundidad de capa efectiva debe ser de 400 HK para un acero SAE4340. El perfil de microdureza obtenido de

la zona cercana al domo se muestra en la Figura N° 1. De esta figura podemos observar que el valor máximo

obtenido es de 621 HK en la capa nitrurada, y que el valor mínimo de dureza Knoop obtenido a una profundidad

de 1 mm fue de 370 HK.

Figura N° 1.- Perfil de microdureza Knoop y Rockwell “C” en la zona cercana al domo.

4. CONCLUSIONES

• Los contenidos de azufre y manganeso en el acero SAE 43040 promueven la formación de inclusiones

no metálicas, y la forma aguda de ellas hace que actúen como concentradores de esfuerzos en la

microestructura de martensita, promoviendo la formación de grietas.

• La microestructura de martensita revenida en el centro de la pieza es la correcta de acuerdo a las

especificaciones

• El espesor de la capa nitrurada blanca esta dentro del rango especificado de 0 a 7 µm.

• Las inclusiones de sulfuro de manganeso localizadas en la superficie de fractura , están asociadas con las

grietas secundarias.

• Los valores del perfil de dureza están de acuerdo con los valores especificados.

• El tipo de fractura que se presento fue de fatiga, como lo muestran las huellas de playa localizadas en la

superficie de fractura de la fotografía N° 5. Las grietas de fatiga fueron provocadas por la presencia de

inclusiones de MnS alargadas, las cuales actuaron como concentradores de esfuerzos.

REFERENCIAS

1. S. MacKenzie, “Failure Analysis of the Heat Treated Steel Components”, 2008, ASM International,

Chapter 2, p. 43-86

2. C. Temmel, B. Karlsson, and N.G. Ingesten, “Fatigue crack initiation in hardened medium carbon steel due

to manganese sulfide inclusion clusters”, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,

Vol..31, (2008), p. 466-477.

3. T.A. Kalifa, “Fatigue crack initiation associated with inclusions in a low carbon steel”, Journal of Materials

Science Letters, Vol. 8, (1989), p. 427-429.

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