Propiedades que debe tener el piston Debe ser ligero, de forma que sean mínimas las cargas de inercia, pero a su vez debe ser lo suficientemente rígido y resistente para soportar el calor y la presión que se desarrolla dentro de la cámara de combustión.
Pistones de aluminio fundido Uno de los procesos más antiguos y aún vigente, es e l de la fundición de lingotes de aluminio en grandes Crisoles (donde se calientan los metales hasta que se funden o pasan de sólido a líquido) que luego se vacían en moldes enfriados por agua bajo sistemas especiales. Posteriormente, comienza el proceso de mecanizado, efectuado por diferentes maquinarias controladas por computadoras y por último pasan por una serie de procesos térmicos que les dan las propiedades requeridas
Pistones forjados a presión Los pistones forjados son formados inyectando metal fundido en un molde pero a diferencia de los otros al mismo tiempo el metal fundido e s forzado en el molde bajo mucha presión. Esto produce unos cambios en el metal a nivel molecular. Bajo un microscopio toda la partícula de metal de un pistón fundido se podría decir “descansan una al lado de otra”. Las partículas del metal de un pistón forjado están mucho más comprimidas. Esto es lo que hace que los pistones forjados sean tres veces más fuertes que los demás. Son mucho más resistentes a las presiones y pueden ser sometidos a mayores cargas sin que puedan llegar a sufrir una rotura. Se terminan utilizando máquinas de cnc, con estos equipos la mayoría de los fabricantes puede mantener las especificaciones y las tolerancias exactas. Esto los hace estructuralmente más durables que los otros pistones. Los pistones forjados están construidos con aleaciones de aluminio y como mencionamos con anterioridad el material tiene una densidad muy alta, esa mayor densidad en el material nos permite poder disipar mayor temperatura en el mismo tiempo que un pistón original, otra ventaja es que los pistones forjados son un poco más livianos que los pistones originales, esto es gracias a que e l fabricante puede construir pistones con una pared de menor espesor para conseguir la misma resistencia. Sin embargo, el material de los pistones forjados a menudo tiene mucho menos contenido de Silicio que los pistones originales y sufre una dilatación mayor hasta llegar a su temperatura normal de funcionamiento. Esto requiere que los cilindros
tengan más “luz” que si utilizáramos pistones normales. Tener más luz en los cilindros no es beneficioso, con esto aumenta el consumo de aceite y podemos perder rendimiento por perdidas de sellado en el cilindro. También podemos decir que los pistones forjados pueden ser más ruidosos en su funcionamiento en frío, debido a la mayor luz que tiene con su cilindro, pero una vez que alcanzan su temperatura normal de funci0onamiento no hay diferencias con uno original.
Ventajas -Son mucho más resistentes. -Soportan mayor número de rpm de motor sin riesgo de rotura. -Permiten una mayor disipación de temperatura.
Desventajas -Sufren una dilatación mayor. -Debido a la mayor dilatación los cilindros deberán llevar más “luz con lo cual se puede llegar a aumentar un poco el consumo de aceite. -En frío el motor puede tener un funcionamiento más ruidoso.
Aleaciones de los aluminios El aluminio y sus aleaciones A pesar de que el aluminio puro es un material poco usado se da la paradoja de que las aleaciones de este material son ampliamente usadas en una grandísima variedad de aplicaciones tanto a nivel industrial como a otros niveles.
Series de aluminios según sus aleantes Las aleaciones de aluminio (tanto las forjadas como las moldeadas) se clasifican en función del elemento aleante usado (al menos el que esté en mayo r proporción). Los elementos aleantes más usados son:
Serie 2xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Cu, pero a veces ta mbien se le añade Mg. Las características de esta serie son: buena relación dureza-peso y mala resistencia a la corrosión. En lo referente a la primera característica decir que algunas de las aleaciones de esta serie tienen que ser sometidas a TT de solubilidad y a veces de envejecimiento para mejorar sus propiedades mecánicas. Una vez hecho esto la serie 2xxx tiene unas propiedades mecánicas que son del orden y, a veces superiores, que las de los a ceros bajos en carbono. El efecto de los TT es el aumento de la dureza con una bajada de la elongación. En lo referente a la segunda característica estas aleaciones generalme nte son galvanizadas con aluminio de alta pureza o con aleaciones de la serie 6xxx para protegerlas de la corrosión y que no se produzca corrosión intergranular. Los usos más frecuentes que se le dan a estos aluminios son (generalmente son usados en lugares donde sea necesario una alta relación durezapeso) en las ruedas de los camiones y de los aviones, en la suspensión de los camiones, en
el fuselage de los aviones, en estructuras que requieran buena dureza a te mperaturas superiores a 150 ºc. Para finalizar decir que salvo la aleción 2219 estas aleaciones tienen una mala soldabilidad pero una maquinabilidad muy buena.
Serie 3xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Mn. Estas aleaciones tan solo tienen un 20% más de dureza que el aluminio puro. Eso es porque el Mn s olo puede añadirse de forma efectivan en solo un 1.5%. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3×04 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas, utensilios de cocina, intecambiadores de calor, mobiliario, señales d e tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas.
Serie 4xxx. En esta serie el principal elemento aleante es el Si que suele añadirese en canti dades medianamente elevadas (por encima del 12%) para conseguir una bajada del rango de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja que el resto de aleaciones de al uminio para usarlo como elemento de soldadura. Estas aleaciones en principio no son tr atables termicamente pero si son usadas en soldadura para soldar otra aleacione s que son tratables termicamente parte de los elementos aleantes de las aleacio nes tratables termicamente pasan a la serie 4xxx y convierten una parte de la aleación en tratable termicamente. Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbon y por ello estan siendo demandadas en aplicaciones arquitectónicas. La 4032 tiene un bajo coeficiente de expansión térm ica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la frabricación de pistones de motores.
Serie 5xxx. Esta serie usa como principal elemento aleante el Mg y a veces tambien se añaden pequeñas cantidades de Mn cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio. El Mg es un elemento que endurece más el aluminio que el Mn (un 0.8 de Mg produce el mismo efecto que un 1.25 de Mn) y además se puede añadir más cantidad de Mg que de Mn. Las principales características de estas aleaciones son una media a alta dureza por endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en ambiento marino y una baja capacidad de trabajo en frío. Estas características hacen que estas aleaciones se usen para adornos d ecorativos, hornamentales y arquitectónicos, en el hogar, iluminación de las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes de puentes grua y estructuras de automóviles.
Serie 6xxx. En estas aleaciones se usan como elementos aleantes el Mg y el Si en proporciones adecuadas para que se forme el Mg2Si. Esto hace que esta al eación sea tratable termicamente. Estas aleciones son menos resitentes que el resto
de aleaciones, a cambio tiene tambien formabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosi ón. Estas aleaciones pueden modearse por un TT T4 y endurecido por una serie de acciones que completen el TT T6. Su uso suele ser el de aplicaciones arquitectónicas, cuadros de bicicletas, pasa manos de los puentes, equipo de transporte y estructuras soldadas.
Serie 7xxx. El Zn añadido en proporciones que van desde el 1 al 8 % es el elemento aleante en mayor proporción en estas aleaciones. A veces se añaden peque ñas cantidades de Mg para hacer la aleación tratable térmicamente. También es normal añadir otros elementos aleantes como Cu o Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones, equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido a que esta serie muestra una muy baja resistencia a la corrosión bajo tensión se le suele aplicar levemente un TT para conseguir una m ejor mezcla de propiedades.
Selección de material de partida para el piston forja Durante el proceso de selección de los pistones, hay numerosas variables a tener en cuenta: peso de los mismos, dimensiones, relaciones de compresión que deberán de soportar o cargas térmicas y mecánicas, entre otras. Cada decisión es muy importante, ya que determinará el comportamiento y la vida útil del motor
Actualmente, hay dos tipos principales de aleaciones de aluminio para la fabricación de los pistones para motores de alto rendimiento y de competición: aluminio 4032 y aluminio 2618. Esta numeración técnica describe los tipos de aleaciones que ha tenido cada material, aunque a simple vista es imposible poderlos diferenciar. Para ello, cada pistón llevará un número de serie que nos facilitará su composición
LA DIFERENCIA ESTÁ EN LOS NÚMEROS En términos de aleación de materiales, el aluminio 4032 y el aluminio 26 18 son bastante parecidos, a excepción del silicio contenido en ellos. La aleación 4032 contiene una cantidad de silicio mucho más elevada; entre un 12 y 13%, mientras que la aleación 2618 contiene alrededor de un 0,2 % de silicio. La ventaja de utilizar silicio en este tipo de aleaciones es que permite reducir la expansión de la cabeza del pistón al alcanzar su temperatura de funcionamiento y aporta una alta resistencia al componente. La no expansión de la cabeza del pistón permite utilizar tolerancias más justas entre pistones y cilindros al mismo tiempo que reducimos los rozamientos de dichos componentes.
Otro aspecto que favorece el alto contenido de silicio de la aleación 4032, es que permite al pistón aguantar mayores temperaturas antes que las ranuras o alojamientos de los aros se puedan llegar a deformar; en efecto, el pistón retiene mejor las deformaciones de su estructura a elevadas temperaturas y en situaciones de estrés debido al efecto del silicio en su composición.
El silicio es más duro y no retiene la temperatura de la misma manera que el aluminio, lo que permite un ratio más bajo de expansión y una mejor resistencia al desgaste de los materiales. Estas características dan a dicha aleación una increíble resistencia a las micro soldaduras dentro de las ranuras de alojamiento de los aros y al desgaste de las mismas; a su vez, permite una tolerancia más ajustada de los componentes y una mejora de su rendimiento . El duro componente de la aleación 4032 también tiene sus limitaciones y no es ideal para todas las aplicaciones. La falta de ductilidad (capacidad de deformar un material bajo un esfuerzo) hace que sea menos efectivo en preparaciones de motores de competición muy exigentes y/o agresivas. Por otro lado, la aleación 2618 es más recomendable a la hora de aplicarla a grandes potencias, en que el abuso extremo es la base de la preparación y en que las revisiones de los componentes del motor son periódicas. La maleabilidad es la clave de la aleación 2618, ya que aporta a los pistones flexibilidad y movimiento antes de llegar al punto de fractura del pistón. Esto ofrece una perfecta resistencia a las fuertes detonaciones dentro de las cámaras de combustión, permitiendo al pistón una rápida deformación de su estructura. Esta aleación necesita más tolerancia entre pistón y cilindro debido a la mayor expansión térmica del material, dando lugar a un desajuste mayor del conjunto cuando el motor está frío. Ambas aleaciones, llevan en la falda de sus pistones una imprimación de grafito, lo que les permitirá reducir el coeficiente de rozamiento durante el arranque del motor.
