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Análisis de Falla de un Eje de Piñón Cónico de Maquinaria Agrícola

Resumen

En este trabajo de investigación se estudió la falla de un eje de piñón cónico perteneciente a la caja de velocidades de un tractor agrícola. Se utilizaron las siguientes técnicas de análisis: inspección visual, fractografía, metalografía, análisis químico, ensayo mecánico de dureza, y el análisis matemático teóricodel estado de esfuerzos. Como resultado en el presente estudio, se determinó que el eje se fabricó con un acero aleado de bajo contenido de carbono de elevada templabilidad, que se sometió a los tratamientos térmicos de cementación, temple y revenido, este último produjo fragilidad en el acero. La presencia de una geometría complicada, dada por una ranura circular interceptada por diez ranurasaxiales, todas con radios de curvatura en las entallas muy pequeños, produjeron una elevada concentración de esfuerzos en el fondo de la intersección de dichas ranuras. El estado metalúrgico del acero, la presencia de concentradores de esfuerzos y una condición de operación de gran exigencia mecánica determinaron la falla violenta del eje. La fractura del eje tiene aspectos característicos demateriales frágiles. La teoría de Mohr Modificada corrobora la causa de la falla.

1. Introducción

La mayoría de los elementos de máquinas que en servicio están sometidos a elevados esfuerzos son construidos generalmente de acero, por ejemplo ejes, engranajes, cigüeñales, bielas, etc. En el caso de engranajes y ejes de piñón se utilizan normalmente los aceros AISI 1040, 1060, 4140 y 4340(Ranganath y col., 2004). Cuando estos ejes son fabricados con aceros que poseen bajo contenido de carbono, normalmente menor que 0,30 % C, son sometidos al tratamiento termoquímico de cementación (carburación), con el fin de incrementar el contenido de carbono en la superficie pudiendo alcanzar valores hasta de 1,2 % C. Luego los ejes son sometidos al tratamiento térmico de temple para elevar la durezade la superficie, generalmente en el intervalo de 58 a 65 RC, por la formación de martensita, quedando el interior dúctil, por el bajo contenido de carbono inicial del acero con una dureza en el intervalo de 30 a 45 RC. Finalmente, los ejes necesariamente deben ser sometidos al tratamiento térmico de revenido a baja temperatura, para lograr eliminar o minimizar las tensiones internas producto de laformación de la martensita, de esta manera se consigue que no disminuya considerablemente la dureza, la microestructura se denomina ahora martensita revenida (Lajtín-Arzamásov, 1987). Con estos tratamientos se logra que los ejes adquieran las condiciones metalúrgicas y mecánicas más adecuadas para su buen desempeño en servicio.
No obstante que en la fabricación de ejes se toman en cuenta losdiferentes principios y/o recomendaciones de diseño, lamentablemente en diversas ocasiones se presentan fallas, normalmente fracturas; estas se originan en puntos de concentración de esfuerzos que se clasifican en tres grupos: 1) heterogeneidades en la forma del eje derivadas del diseño: escalones por cambios de diámetro, orificios, esquinas abruptas, chaveteros, estrías, roscas, ranuras y ajustesa presión, 2) discontinuidades superficiales surgidas de la fabricación o por daño en servicio: hendiduras, picaduras, muescas, marcas de maquinado, de rectificado y de identificación, corrosión, 3) discontinuidades internas: porosidad, contracciones, inclusiones no metálicas, grietas y huecos. Adicionalmente se tienen ensambles defectuosos, selección errónea de material, tratamientos térmicosincorrectos (ASM, 1986).
Un caso particular es la falla de un eje de piñón cónico de un tractor agrícola, eje motriz de la caja de velocidades que recibe la potencia del motor transmitiéndola al diferencial, y de este a las ruedas haciendo posible el movimiento del tractor. Este eje falló por fractura en menos de un año de servicio, hecho por el cual se solicitó al Laboratorio de Metalografía...
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