INTRODUCCION
Teoría de la situación problémica El daño debido a la corrosión de los tubos de escape genera varios problemas ya que es un elemento imprescindible para que los automóviles tengan un correcto funcionamiento, además conlleva complicaciones futuras que no solo afecta directamente si no que genera daños a otros elementos que son componentes básicos que se ven deteriorados a causa del fallo en el escape como el daño al catalizador, problemas de inyección, disminución de potencia y eficiencia. Se sabe que la corrosión en el sistema de escape de gases es inevitable pero, siguiendo ciertas recomendaciones se puede lograr que la vida útil del mismo aumente, o disminuyan los daños producidos teniendo en cuenta varios parámetros que ayudará a mantener las características del elemento. Se dan dos tipos de corrosión: la interna y la externa, provocadas por distintos factores pero que provocan desgastes en mayor o menor magnitud. Los gases de escape producen condensación en el interior por la variación de temperaturas al momento que el auto empieza con el proceso de combustión, este se calienta y se enfría en un periodo de tiempo no muy prolongado evitando que los gases no se evacuen adecuadamente condensándose en las paredes del escape y que se vaya acumulando provocando que, con el paso del tiempo, los daños aumenten. El otro tipo de corrosión, la externa, generalmente es más común en los climas con alto grado de humedad como en la región costa y oriente, y por sustancias netamente corrosivas que están en el ambiente debido a la polución provocada por fábricas, actividades de producción, sustancias químicas propias del medio e incluso por el uso del mismo automóvil. Se ha observado que la corrosión inicia con un cambio en el color original del componente, unas pequeñas manchas de distinto color o pequeñas picaduras son las primeras señales de un de que una zona está expuesta a la humedad o es más propensa a la corrosión, estas características muestran que el material ha perdido ya varias de sus características principales de diseño. La corrosión depende directamente del grado de humedad y temperatura debido a que ciertos espacios atmosféricos poseen soluciones de cloruro de sodio y gases sulfurosos (Jubert, 2010) La industria automovilística se ha visto afectada a nivel económico a causa de la corrosión ya sea cuando se aplica con mantenimiento correctivo es decir cuando ya se tiene que reemplazar la parte dañada lo cual implica altos costos en reparación, de mano de obra y de la misma pieza afectada que muchas de las veces el repuesto no se encuentra en el mercado y tiene que ser importado. O cuando el escape falla totalmente y las reparaciones interfieren con las
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actividades previstas y más aún si el automotor es una herramienta de trabajo y las actividades se han interrumpido. En el ámbito medio ambiental el correcto funcionamiento del escape es fundamental ya que sin él hay una emisión de humos bastante densos, por ejemplo en el Ecuador existe una organización que su objetivo principal es garantizar que los vehículos estén en condiciones óptimas para que puedan circular viendo parámetros como seguridad, criterios de diseño y fabricación, observar si la cantidad de emisiones contaminantes no estén por encima de los niveles máximos permitidos, además de controlar los niveles de ruido y si el escape se encuentra deteriorado, no aprobará ninguno de los dos últimos aspectos mencionados. Por lo general se utiliza acero inoxidable y fundición para la fabricación de los escapes; ahora, debido a que el componente mayoritario en los gases de combustión es el oxígeno un elemento altamente oxidante y la condensación que se va acumulando en forma de carbonilla, esto produce desgaste pese a que los materiales utilizados tienen alta resistencia a la corrosión. Existen varias propuestas de cómo evitar la corrosión como las planteadas en la Fig. 1 que se muestra a continuación:
Fig1: Metales Comunes y sus Propiedades de Corrosión Fuente: (Web1) Se puede “evitar la corrosión uniforme protegiendo la superficie del metal, al evitar el flujo de iones de un metal al otro, se puede proteger la superficie del metal al impedir las fuentes ambientales de cloruro y al evitar hendiduras y rasguños, la 2
corrosión por rendija se previene al minimizar espacios ajustados en el diseño del objeto, la corrosión por tensión al utilizar cargas seguras o al templar” según lo manifestado (Web1) Nosotros como ingenieros somos los responsables de reducir los problemas usando diversas técnicas con muchas alternativas capaces de minimizar los costos y las consecuencias de la corrosión ya que es un ámbito que en muchas ocasiones no ha sido tomado en cuenta.
Deslinde del problema real La corrosión y el desgaste excesivo y prematuro de los tubos de escape de los autos que circulan en la cuidad de Riobamba ocasionada por agentes físicos, químicos, térmicos y atmosféricos. Se deben tomar en cuenta las aristas del problema con mayor probabilidad de ser influyentes en la investigación. •
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Materiales de construcción deficientes o incapaces de soportar las solicitaciones a que está sometidos los tubos de escape de los autos que circulan en la cuidad de Riobamba, incluyendo en ataque químico. Ausencia de recubrimientos que ayuden la protección interna y externa del tubo de escape. Falta de adecuados mantenimientos y falta de cuidado en el trato de los tubos de escape. Errores de diseño; diámetros o espesores inadecuados que tienden a formar sedimentos o que no permiten una adecuada transferencia de calor con el medio ambiente. Ataques químicos excesivamente fuertes que corroen el tubo de escape, debido a una combustión inadecuada.
Nuestro campo de acción será los recubrimientos que a nuestro criterio es el área, por lo general, descuidada cuando se habla de tubos de escapes.
Problema Científico ¿Podría ser el galvanizado la solución para minimi zar la corrosión?
Objetivo principal Determinar el recubrimiento adecuado para aumentar el periodo de vida útil de los tubos de escapes de los automóviles que circulan en la cuidad de Riobamba.
Objetivos específicos 1. Determinar las condiciones que causan corrosión a los tubos de escape. 2. Determinar que recubrimiento es el más adecuado para soportar el trabajo a la temperatura de trabajo. 3
Objeto de Investigación Los tubos de escape de los autos que circulan en la ciudad de Riobamba.
Hipótesis de trabajo 1. El uso de un espesor mayor de recubrimiento sobre la superficie del tubo de escape, aumentará el tiempo de uso del mismo.
Metodología utilizada •
Inductivo-deductivo: Con esta metodología se pretende conseguir los parámetros de los materiales para lograr una respuesta favorable a la hipótesis planteada. A partir del estudio bibliográfico, se puede obtener una fuerte influencia para futuras incógnitas aún más complejas.
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Dialéctico: Para el desarrollo de esta investigación es imprescindible tener una amplia noción de los fundamentos que se han adquirido de múltiples fuentes para alcanzar los objetivos Y no por demás cabe mencionar que ayudará a encontrar nuevas ideas que pueden llegar más innovadoras.
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Histórico: La idea base parte de la necesidad existente en fuentes anteriores para poder identificar las causas y consecuencias de los fenómenos que intervienen en la corrosión. Logrando así una mejor selección de datos relevantes partiendo de un análisis minucioso y de la interpretación adecuada de hechos que ya han sido estudiados para compararlos y aplicarlos a la situación actual para mejorar el resultado.
Pertinencia del trabajo El trabajo es necesario y se justifica gracias al gran campo de aplicación debido al aumento del parque automotor, y a la mayoría la corrosión y el desgaste les afecta de manera significativa. Económicamente hablando la investigación es pertinente debido a los costos elevados que demanda el mantenimiento correctivo o sea la reposición de los tubos de escape. Estos costos pueden ser disminuidos al aplicar adecuadamente métodos y técnicas que reducen el avance de la corrosión en los tubos de escape. A ni vel me di o am bi en tal , el co nt rol de la co rros ió n en lo s tub os de escape es muy important e ya que modera las emisiones de los gases productos de la combustión.
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1. ESTUDIO DEL ESTADO ACTUAL DE LAS CAUSAS Y EFECTOS DE LA CORROSIÓN EN TUBOS DE ESCAPE EN AUTOMÓVILES 1.1 Tubos de escape “Se denomina tubo de escape el conducto utilizado en los motores de combustión interna para expulsar los gases quemados de la cámara de combustión al terminar el ciclo.” (Alvarado, 2013) “El tubo de escape de un motor de explosión es el tubo que sirve para evacuar los gases de combustión (llamados también «de escape») desde el silenciador al medio ambiente, una vez que ya han realizado su trabajo en el motor (por la combustión de la gasolina, gas butano, alcohol o gasoil). Forma parte del sistema de escape en los motores de combustión interna.” (Web2) En la Fig. 2 se pueden distinguir las partes principales que componen un tubo de escape.
Fig2. Partes del tubo de escape Fuente: (Barba, 2004)
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1.1.1 Componentes tubo de escape
1.1.1.1 Carcasa La carcasa está representada en la Fig 3.que muestra una carcasa real:
Fig3. Carcasa Fuente: (Jony, 2014) Es la parte que está más expuesta a la corrosión ambiental ya que es la que recubre al silenciador y soporta los cambios que ocurren en el exterior es por esto que los requerimientos en los acabados superficiales deben ser altos no solo para mejorar ciertas condiciones técnicas sino por el mismo hecho de que ayuda al diseño industrial de la pieza. Los principales materiales utilizados para la fabricación de las carcasas están especificados en la Fig.4:
Principales materiales usados para la Carcasa Aleación de aluminio 6060 (Aluminio-SilicioMagnesio) Acero Inoxidable AISI -304 (austenítico) Fibra de carbono (buenas características de peso)
Fig4. Principales materiales usados para la carcasa Fuente: Autores 6
1.1.1.2Tobera de entrada y de salida En los tubos de escape existen las toberas tanto de entrada como de salida las cuales se muestran esquematizadas en la Fig. 5:
Fig5. Tobera de entrada Sleep-on Fuente: (Barba, 2004) Las toberas de entrada y salida son los elementos por donde los gases de combustión ingresan y salen respectivamente del silenciador. Hay dos tipos de toberas Sleep-on y Bolt-on. Y comúnmente están fabricados por los materiales expuestos en la Fig. 6:
Principales materiales usados para la Tobera de entrada y salida
Fundición de Alumino al 99%. Puede incluir un tratamiento de pulido electrolítico. Fig6. Principales materiales usados para la tobera de e ntrada y salida Fuente: Autores
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1.1.1.3 Tubo interno -Silenciador Es un tubo perforado y recubierto de fibra de vidrio cuyo principal objetivo es minimizar el ruido generado por los gases de combustión, al cual se lo puede apreciar en la Fig. 7 se observa la placa perforada, la fibra de vidrio y la carcasa protectora.
Fig7. Tubo interno – silenciador Fuente: (Llurba, 2013) Los principales materiales del tubo interno se en representados en la Fig.8 que se muestra a continuación:
Principales materiales usados para el tubo interno Acero inoxidable AISI 304 (austenítico) perforado por laser. Fibra de vídrio •
Resistente a altas temperaturas (850 °C) Absorbente acústico Buena resistencia mecánica •
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Fig8. Principales materiales usados el tubo interno Fuente: Autores
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1.1.1.3Tubo de enlace El tubo de enlace tiene un diseño distinto dependiendo del modelo de automóvil de tal modo de acoplarlo al sistema consiguiendo dar salida a los gases quemados al salir del motor y enviarlos al silenciador, obteniendo un mayor rendimiento (Fig.9) conjuntamente con una buena selección del material (Fig. 10)
Fig9. Tubo de enlace Fuente: (Web3, 2012)
Principales materiales usados para el tubo de enlace Acero inoxidable AISI 304 (austenítico)
Fig10. Principales materiales usados para el tubo de enlace Fuente: Autores
1.1.1.4 Platina Inox La Platina Inox es el conector entre el tubo interno-silenciador y el tubo de enlace (Fig. 11) y los materiales más adecuados para su fabricación están se especifican en la Fig. 12
Fig11. Platina Inox Fuente: (Alvarado, 2013)
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Principales materiales usados para la platina Inox Acero inoxidable AISI 304 (austenítico) Fundición Acero con recubrimiento de Aluminio Fig12. Principales materiales usados para platin inox Fuente: Autores
1.2 GASES DE COMBUSTION 1.2.1 Composición química de los gases de combustión Para que un máquina entre en funcionamiento tiene que entrar en un proceso de cambio de energía ya sea este térmico, hidráulico, solar entre otros. Los tubos de escape son parte del sistema que trabajan conjuntamente con los motores de combustión interna que determina un 80% de la totalidad de la energía producida en el mundo (Megane, 2014). En los motores de combustión interna, la composición básica de los gases de combustión se basa en dos tipos (Fig. 13):
Nitrógeno Oxígeno Inofensivos Vapor agua Dióxido de Carbono
Gases productos de la Combustión
Monóxido de Carbono Contaminantes
Hidrocarburos Óxidos de Nitrógeno
Fig13. Clasificación gases productos de la Combustión Fuente: Autores
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1.2.2 Características de los gases productos de la combustión (Vallejo, 2008) La composición de los gases de combustión de los motores de gasolina y los motores diésel son diferentes en su composición como se puede ver en la Fig. 14 por lo tanto afectan de modo diferente al comportamiento del material del tubo de escape.
Fig14. Composición de los gases de escape Fuente: (Megane, 2014)
Nitrógeno (N2)| No combustible Incoloro Inodoro Constituye el 78% de los gases componentes del aire. En el proceso de combustión es mínimo el cambio que sufre Se combina con el O2 y forman óxidos nítricos (NO x)
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Oxigeno (O2) Incoloro Inodoro Insípido Constituye el 21% de los componentes del aire Indispensable para el proceso de combustión.
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Agua (H 2O) • •
Subproducto de la combustión Se produce cuando hay un cambio de fase de calentamiento del motor
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Aparece e forma de humo blanco o en otros casos como un goteo en el tubo de escape cuando se condensa
Dióxid o de Carbono (CO2) Incoloro No combustible El principal causante del efecto invernadero Combinación del carbono con el oxígeno
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Monóxi do de carbono (CO) Incoloro Inodoro Explosivo Altamente tóxico Producto de la combustión incompleta de combustibles que contienen carbono.
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Óxidos nítricos (NOx) Incoloro Inodoro Insípido Existen tres factores que facilitan el aparecimiento de óxidos nítricos alta presión, alta temperatura y exceso de oxígeno durante la combustión. Altamente tóxico
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Dióxid o de azufre (SO2) Incoloro Olor penetrante No combustible Se puede reducirlo al disminuir la cantidad de azufre del combustible.
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HC – Hidr ocarbur os • •
Se originan por una combustión incompleta La falta de oxígeno y una baja velocidad de inflamación son los causantes del aparecimiento del hidrocarburos
MP- partículas de hollín • •
Principal característica de los motores diésel. Forma de hollín o cenizas
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1.3 Corrosió n en Altas Temperaturas “Las zonas que están en contacto directo con los gases de la combustión, deben mantenerse por debajo del límite de fatiga térmica del material, en el caso de las aleaciones de aluminio esta temperatura no debe exceder los 300°C” (Gonzalez Villareal, 2004) “(…) los cambios cíclicos de temperatura favorecen la falla por fatiga térmica, cuando el material se calienta de manera no uniforme, alguna partes de la estructura se dilatarán más que otras. Esta expansión no uniforme introduce esfuerzos dentro del material y cuando la probeta se enfría y se contrae se introducen esfuerzos opuestos y como consecuencia de los esfuerzos y deformaciones inducidos térmicamente el material fallará por fatiga.” (Coltters, 2013) “Las diferencias entre los coeficientes de expansión térmica entre el recubrimiento y el metal base, sobre todo en la base de la cabeza de la válvula donde las temperaturas son superiores, fueron las causas del desprendimiento y la falla por fatiga térmica.” (Coltters, 2013). En el siguiente ejemplo (Fig. 15) la falla empieza con un desprendimiento del recubrimiento debido a que ya había corrosión en una capa inferior y después del desprendimiento, el espacio fue rellenado por productos de corrosión.
Fig15. Falla de una Válvula de Escape de un Motor de Automóvil Fuente: (Coltters, 2013) 13
Los recubrimientos deben ser de coeficientes de dilatación térmica semejante de modo que cuando aumente su temperatura no se de desprendimiento del recubrimiento debido a la creación de sobreesfuerzos entre el recubrimiento y el metal base del tubo de escape. “Cuando nos enfrentamos al fenómeno de corrosión por alta temperatura, nos enfrentamos a un tipo de corrosión químicamente pura, la misma se lleva a cabo en medios carentes de humedad, por consiguiente no hay presencia de un medio electrolítico, ya que lo que tenemos es un medio con gases a altas temperaturas con sustancias orgánicas e inorgánicas.” (Sanchez Martin) Según Sánchez el efecto de la alta temperatura es que la afinidad química aumente de modo que no hace falta un electrolito y no se produce un fenómeno electroquímico. Esto nos da una idea de que el recubrimiento debe ser más estable posible de modo que no haga una reacción química con los gases productos de la combustión. “Dos son los aspectos principales que influyen negativamente en el trabajo eficiente y confiable del generador de vapor: El bajo coeficiente de conductividad térmica de los sedimentos que se forman (k =0,08 - 4,0 W/m-K) lo que conlleva a un bajo coeficiente global de transferencia de calor (...)” (Plá Duporté, 2004) Cuando no hay una buena transferencia de calor el tubo de escape tiende a retener el calor, por lo que trabaja a temperaturas más altas. Esto puede influir a en las propiedades y generan un ambiente que propicia la corrosión más fácilmente debido a que debilita el material tanto del recubrimiento como el material base del tubo de escape.
1.4 Recubrimiento Los recubrimientos consisten en materiales que se adicionan a la superficie del material que se desea proteger de la corrosión, estos recubrimientos pueden tener naturaleza metálica o no metálica. “La elección del metal empleado en el recubrimiento se hace de acuerdo con el metal que se ha de proteger, del objeto de que se trata y del espesor que se proyecta dar a la capa protectora. Los recubrimientos metálicos pueden aplicarse por varios procedimientos: por electrólisis, por inmersión en el baño del metal protector, por metalización, por cementación y por chapado.” (Cuesta Fernandez, 2009) PEMEX plantea una clasificación de los recubrimientos (Fig. 16)
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Fig16. Tipos de Recubrimientos Fuente: (PEMEX, 2006) Se debe analizar la situación de corrosión que se presenta en el problema para, según ese análisis, determinar que material es el adecuado para recubrir.
1.5 Concl usiones Parciales 1. Los recubrimientos metálicos pueden adherirse al metal base del tubo de escape por deposición; al momento de trabajar aumentan su temperatura y se dilatan por lo que se generan esfuerzos internos debidos a que cada material se comporta de manera distinta. 2. El tubo de escape busca hacer una trasferencia de calor adecuada para llevar los gases productos de la combustión al ambiente. 3. Para minimizar las consecuencias producidas por una corrosión temprana es necesario una correcta selección en los materiales de cada uno de los materiales del tubo de escape, entre los cuales están aleaciones de aluminio, acero inoxidable, fibra de carbono, fundición los cuales son capaces de soportar los gases de combustión y las altas temperaturas de estos.
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Bibliografía 1. Alvarado, Mariela. 2013. Scribd. Tubos de escape. [En línea] 29 de Abril de 2013. Disponible en: https://es.scribd.com/doc/138516825/tubos-de-escape-docx#download. 2. Barba, Claudia. 2004. Scribd. [En línea] Marzo de 2004. Disponible en: https://es.scribd.com/doc/154904472/Fabricacion-de-Tubos-de-Escape-ParaMotos#download. 3. Coltters, Raúl. 2013. FATIGA TÉRMICA – EFECTO DE LA TEMPERATURA. 2013. 4. Cuesta Fernandez, Francisco Luis. 2009. ANALISIS DEL FENOMENO DE LA COOROSION EN MATERIALES DE USO TECNICO. 2009. 5. Gonzalez Villareal, José Alejandro. 2004. Estudio de Transferencia de Calor en Componentes Automotrices de Alta Tecnología. Monterrey : s.n., 2004. pág. 26. 6. Jony. 2014. Foros y Motos. [En línea] 27 de Marzo de 2014. Disponible en: http://www.forosymotos.com/viewtopic.php?f=43&t=7549. 7. Jubert, A. 2010. Universidad Nacional de la Plata. [En línea] 22 de Diciembre de 2010. Disponible en: http://www.ing.unlp.edu.ar/quimica/corrosion.htm. 8. Llurba, Luis. 2013. Motociclismo. [En línea] 19 de 03 de 2013. Disponible en: http://www.motociclismo.es/consejos/mantenimiento/articulo/sustitucion-fibra-silenciador
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