12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
ESTUDIO DE LA ALEACIÓN INTELIGENTE CON MEMORIA DE FORMA
CuZnAl
Espín Lagos, S. M*
*Universidad Técnica de Ambato, FICM, Avenida Los Chasquis y Rio Payamino (Huachi Chico), Casilla 334, Ambato.
*e-mail:[email protected]
RESUMEN
En el campo de la ingeniería mecánica se ha venido utilizando en su mayoría metales ferrosos y no ferrosos convencionales, pero para ciertas aplicaciones especiales se necesita nuevos materiales con nuevas propiedades, tales como los materiales inteligentes base cobre, esto motivó a que se profundice en el estudio de la aleación inteligente con memoria de forma CuZnAl, realizando pruebas de fundición hasta obtener la misma con la composición y características de un material inteligente con memoria de forma, posteriormente se procedió a realizar ensayos químicos, mecánicos, físicos y simulación mediante software, para determinar sus propiedades y en función de estas se determinó su aplicación industrial, sugiriendo que es apta para muelles de ballesta, cimbras para gatillos de armas de fuego, como vigas superelásticas, como muelle de espiras y como bases de estructuras antisísmicas por su comportamiento superelástico.
PALABRAS CLAVE: Material Inteligente, memoria de forma, propiedades mecánicas, superelasticidad, aplicación industrial.
INTRODUCCIÓN
Las aleaciones inteligentes con memoria de forma base cobre, adquieren nuevas propiedades tales como la superelasticidad y el efecto memoria de forma y abren un nuevo campo de aplicación tecnológico, por lo que a nivel mundial se han realizado investigaciones tales como: caracterización de la cinética de crecimiento de grano, desgaste y corrosión en aleaciones inteligentes con memoria de forma base cobre para aplicaciones tecnológicas [1], estabilidad de fases bajo Irradiación en aleaciones con memoria de forma base cobre [2], determinación del efecto memoria de forma, que se produce al enfriarse la fase austenitica de alta temperatura, que tiene estructura cristalina FCC, convirtiéndose en la fase martensítica de baja temperatura con estructura cristalina BCT, experimentando un proceso de demaclado de cristales que posteriormente el calentamiento de la martensita demaclada (deformada) la convierte nuevamente a la fase austenita [3], estudio sobre la fabricación y caracterización de una aleación con memoria de forma CuZnAl considerada para disipadores sísmicos, el objetivo fue producir una aleación CuZnAl con memoria de forma y caracterizarla, teniendo en vista aplicaciones de disipación de energía sísmica [4], estudio del modelo mediante lógica difusa que representa el comportamiento de barras de CuZnAl, el principal resultado del análisis de sensibilidad fue que la frecuencia de ensayo no influyó en la realización de un buen modelo difuso, es importante considerar datos de chequeo que sean representativos del fenómeno que se está estudiando, una buena medida es considerar datos intermedios de los datos de entrenamiento [5], síntesis y caracterización de nanopartículas y películas delgadas por métodos físicos a partir de aleaciones con efecto de memoria de forma, obtiene películas delgadas de la aleación CuZnAl producidas por evaporación térmica [6], configuración experiemntal para analizar la relación entre la resistencia y la longitud de los cables de SMA, concluyendo que las SMA tienen un alto potencial en aplicaciones mecatrónicas innovadoras, debido a su capacidad para ejercer grandes fuerzas en un espacio limitado [7].
Los materiales inteligentes con memoria de forma, poseen propiedades diferentes que los diferencian del resto de materiales, no son propiedades mejoradas respecto a los materiales convencionales. La comprensión de estas nuevas propiedades abrirá la posibilidad que estos materiales adquieran una importancia industrial que aún no lo tienen. En este estudio se describen las propiedades que caracterizan a este tipo de aleación, a la vez, que se realizó un análisis de sus posibles aplicaciones.
METODOLOGÍA Y MATERIALES
Obtención de la aleación inteligente con memoria de forma CuZnAl
Se utilizó tres tipos de hornos: un horno a gas (GLP), un horno a diesel y un horno de inducción de 60 Kg de capacidad, se utilizó cobre electrolítico 99.9% de pureza, alambre de aluminio electrolítico de 99.9% de pureza y ánodos de zinc electrolítico de 99.9% de pureza, primero se procedió a fundir el cubre, luego se añadió el zinc y finalmente el aluminio, con el objeto de evitar pérdidas de zinc muy elevadas por oxidación o por reacciones exotérmicas.
Análisis químico de las aleaciones obtenidas
El análisis químico de las aleaciones obtenidas se lo realizó utilizando un espectrómetro de emisión óptica o de chispa.
Temple de las aleaciones obtenidas
Para que las aleaciones se comporten como material inteligente con memoria de forma se procedió a templarlas., bajo los siguientes parámetros:
Primero se determinó el Zinc Equivalente(Znequiv), [4],con la Ec. (1)
Znequiv= · (1)
Dónde:
X = porcentaje de Zn.
Con el valor del zinc Equivalente se procedió a trazar una línea vertical de color verde en el diagrama bifásico Cu-Zn, y dos líneas horizontales desde las intersecciones de esta línea con las del diagrama que corresponden a las temperaturas de 7000C y 8750C respectivamente, determinando una temperatura de temple de 8500C [4].
Como las probetas fueron de 1 pulgada de diámetro, se dejó una hora a esa temperatura en el horno eléctrico de tratamientos térmicos, para posteriormente enfriarlas en agua a temperatura ambiente (150C).
Determinación de la microestructura metalográfica
Para determinar la microestructura de las aleaciones obtenidas, se procedió a preparar las probetas según la norma ASTM E-3 [8], y el uso del ASM Handbook Vol. 9 [9], realizando un desbastado, pulido, y ataque químico, posteriormente se tomaron las fotografias de las microestructuras utilizando un microscopio metalográfico marca Van Guard, serie 1241MM.
Determinación de dureza de las aleaciones obtenidas
La dureza se determinó con un durómetro de procedencia China Brinell Rockell Vickers, Modelo HBRV – 187.5, de acuerdo a la norma ASTM E-10 para dureza Brinell [10].
Ensayo de tracción
Para determinar las propiedades de las aleaciones obtenidas tales como: Módulo de elasticidad, carga de fluencia, esfuerzo de fluencia, carga máxima, esfuerzo máximo, porcentaje de elongación, y tipo de falla, se utilizó probetas mecanizadas de acuerdo a la norma ASTM E-8 [11], y el ASM Handbook Vol. 8 [12].
Ensayo de fatiga
Para determinar el número de ciclos de vida útil de cada aleación, se realizó el ensayo de fatiga, utilizando la máquina para ensayos de fatiga de la Escuela Superior politécnica de Chimborazo, con probetas mecanizadas de acuerdo a la norma ASTM E-606 [13], y para probetas planas se utilizó la máquina para ensayo de fatiga cumpliendo la norma ASTM B-593 [14].
RESULTADOS
A continuación, se muestran los resultados obtenidos en el proceso de investigación,Tabla 1: Resultados de composición química de las aleaciones obtenidas,Tabla 2: Resultado del análisis metalográfico de las aleaciones obtenidas,Tabla 3: Resultados del ensayo de dureza de las aleaciones obtenidas,Tabla 4: Resultado del ensayo de tracción de las aleaciones obtenidas.
Tabla 1: Resultados de composición química de las aleaciones obtenidas
No.
PRUEBAS TIPO HORNO
ELEMENTOS AÑADIDOS
(LBS)
COMPOSICIÓN QUÍMICA OBTENIDA (%)
1
A GAS CRISOL ACERO
FICM
Vainillas = 4.05 Al = 0.32
Cu = 66.9 Zn = 25.18 Al = 7.37 Fe = 0.371
2
A GAS CRISOL GRAFITO
FICM
Vainillas = 2.2
Al = 0.154 No alcanza temperatura de fusión
3
A DIESEL CRISOL
GRAFITO FICM
Cu = 6.6 Zn = 2.33 Al = 0.63
4.1
DE INDUCCIÓN CRISOL GRAFITO
1C ESPOCH
Cu = 73 Zn = 26.5 Al = 6.25
Cu = 69.7 Zn = 23.49 Al = 6.71 Otros = 0.1
4.2
DE INDUCCIÓN CRISOL GRAFITO
2C ESPOCH
Cu = 73 Zn = 26.5 Al = 6.25
Cu = 71.6 Zn = 23.53 Al = 4.79
5
DE INDUCCIÓN CRISOL GRAFITO
ESPOCH
Cu = 60.16 Zn = 15.79 Al = 5.93
Cu = 75 Zn = 18.71 Al = 6.13 Otros = 0.16
Tabla 2: Resultado del análisis metalográfico de las aleaciones obtenidas.
Microestructura Prueba 1 sin templar, a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100 ml de
agua destilada) durante 3 segundos, observando una microestructura en fase α y β.
Microestructura Prueba 1 templada, a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100 ml de
agua destilada) durante 3 segundos, observando una microestructura en fase β sin presencia de Martensita.
Microestructura Prueba 3 sin templar a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100 ml de
agua destilada) durante 3 segundos, observando una microestructura en fase β, con un tamaño de grano extremadamente grande.
Microestructura Prueba 3 Templada a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100 ml de
agua destilada) durante 3 segundos, Se observa una microestructura en fase β, con un tamaño de grano extremadamente grande y no existe la presencia de Martensita.
Microestructura Prueba 4.1 sin templar a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100
Microestructura Prueba 4.1 templada a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100 ml de
agua destilada) durante 3 segundos, observando una microestructura en fase β, con un tamaño de grano extremadamente grande, no existe presencia de martensita.
Microestructura Prueba 4.2 sin templar a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100
ml de agua destilada) durante 3 segundos, observamos una microestructura de fase β (matriz) y fase α.
Microestructura Prueba 4.2 templada, a 100X, a 850oC durante 1
hora, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1
gr de CrO2, y 100 ml de agua destilada) durante 3 segundos, observamos una microestructura de dos fases, fase β (matriz) y Martensita.
Microestructura Prueba 5 sin templar a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100 ml de
agua destilada) durante 3 segundos, observamos una microestructura de dos fases β (matriz) y α.
Microestructura Prueba 5 templada a 850oC, por el lapso de 1 hora y
enfriada en agua a temperatura ambiente a 100X, atacado con reactivo químico (20 gr de FeCl3,5 ml de HCl, 1 gr de CrO2, y 100
ml de agua destilada) durante 3 segundos, observamos una microestructura de fase β y Martensita.
Tabla 3: Resultados del ensayo de dureza de las aleaciones obtenidas.
No. Pruebas
Dureza sin templar
(HRB)
Dureza despues del temple
(HRB)
1 55.80 91.80
3 40.10 31.00
4.1 90.05 94.40
4.2 70.20 82.10
Tabla 4: Resultado del ensayo de tracción de las aleaciones obtenidas.
Propiedad Prueba 4.1
sin templar sin templarPrueba 4.2 Prueba 4.2templada Prueba 5 sintemplar Prueba 5templada Módulo de Elasticidad
[Kg/cm2] 9.7x105 1.2x106 7.7x105 1.3x106 7.4x105
Carga de Fluencia
[Kg] 3243 2307 1621 2519 1853
Esfuerzo de Fluencia
[Kg/cm2] 2560 1850 1300 2020 1440
Carga Máxima [Kg] 4030 4050 2770 3420 2600
Esfuerzo Máximo
[Kg/cm2] 3181.32 3248.05 2221.51 2742.80 2020.52
% de Elongación
2.03 1.4 4.23 1.61 3.65
Tipo de Falla
Irregular Irregular Irregular Irregular Irregular
La prueba 1 se lo realizó en un horno a gas con crisol de acero al carbono, se fundieron 4.05 libras de vainillas de fusil y luego se añadieron 0.32 libras de aluminio electrolítico, obteniendo una aleación con una composición de 66.9%Cu, 25.18%Zn, 7.37%Al y 0.371%Fe. Después de templarlo su dureza cambió de 55.8HRB a 91.8HRB, incrementándose en 36HRB, lo cual le transformó en una aleación extremadamente frágil, presentándose grietas en la probeta, tanto superficialmente como internamente. En cuanto a su microestructura, se tuvo presencia de fase β (matriz) y fase α en la probeta sin templar, y en la probeta templada se obtuvo solo fase β sin la presencia de martensita.
En la prueba 2, en un horno a gas con crisol de grafito se colocaron2.2 libras de vainillas de fusil, pero no llega a fundirse, por no alcanzar el punto de fusión de las vainillas (950oC), debido al espesor del crisol de grafito que
fue de 13 mm, y se necesitó más poder calorífico.
En la prueba 3, en un horno a diesel con crisol de grafito, se fundieron 6.6 libras de cobre electrolítico, 2.33 libras de Zinc, y 0.63 libras de aluminio electrolítico, obteniendo una composición de la aleación de 98.02%Cu, 0.62%Zn, y 1.69%Al. Luego de templarla su dureza cambió de 40.1HRB a 31.0HRB, disminuyendo en 9.1HRB, debido a su composición química y su dureza que están fuera de los rangos de las aleaciones inteligentes con memoria de forma, se rechaza esta aleación para el presente estudio.
En la prueba 4.1, en un horno de inducción con crisol de grafito, se fundierón 73 libras de cobre electrolítico, 26.5 libras de Zinc electrolítico y 6.25 libras de aluminio electrolítico, obteniendo una aleación con 69.7%Cu, 23.4%Zn, 6.71%Al y otros elementos 0.16%. Luego de templar su dureza cambió de 90.05HRB a 94.4HRB, incrementándose en 3.95HRB, teniendo una aleación frágil. En cuanto a la microestructura se obtuvo la presencia solo de fase β en la probeta sin templar y templada, sin la presencia de martensita. Esta aleación se comportó como un material inteligente con memoria de forma, recuperando su forma original una vez que ha sido deformada al aplicarle calor.
En la prueba 4.2, en un horno de inducción con crisol de grafito, se fundieron 73 libras de cobre electrolítico, 26.5 libras de Zinc electrolítico y 6.25 libras de aluminio electrolítico, obteniendo una aleación con 71.6%Cu, 23.53%Zn, 4.79%Al. Luego de templar su dureza cambió de 70.2HRB a 82.1HRB, incrementándose en 11.9HRB. En cuanto a su microestructura se obtuvo la presencia de fase β (matriz) y fase α en la probeta sin templar y fase β y martensita en las probetas templadas, obteniendo una aleación inteligente con memoria de forma superelástica, que recupera su forma original una vez que ha sido retirada la carga que lo deforma.
En la prueba 5, en un horno de inducción con crisol de grafito, se fundieron 60.16 libras de láminas de cobre electrolítico, 15.79 libras de zinc electrolítico y 5.93 libras de aluminio electrolítico, obteniendo una aleación con 75%Cu, 18.71%Zn, 6.13%Al y otros elementos 0.16%, Luego de templarla su dureza cambió de 80.4HRB a 96.7HRB incrementándose en 16.3HRB. En cuanto a su microestructura existió lapresencia de fase β y fase α en las probetas sin templar y fase β y martensita en las probetas templadas. Su elongación fue de 3.65, y como el número de ciclos de vida a fatiga fue superior a 103ciclos, se consideró como una aleación de alto ciclaje. El
La prueba 5, dio una composición química de 75%Cu, 18.71%Zn, 6.13%Al, presentando uniformidad en toda la colada, se templó a 850oC con un tiempo de permanencia de 1 hora y luego se enfrió en agua a temperatura
ambiente, presentó un porcentaje de elongación de 1.61 sin templar y un porcentaje de elongación de 3.65 después de templarla, corroborando también de esta manera que se trata de una aleación superelástica. Al realizar el ensayo de fatiga se obtuvo los ciclos de vida hasta la falla, superior a 103, lo que demostró que tiene
resistencia a la fatiga de alto ciclaje. La velocidad de corrosión fue de 0.0087 mm por año, por lo que se le calificó a la aleación inteligente con memoria de forma 75%Cu, 18.71%Zn, 6.13%Al como sobresaliente, en cuanto a corrosión se refiere.
En esta aleación primero se fundió el cobre, luego se añadió el zinc y finalmente el aluminio obteniendo una pérdida de zinc por evaporación y oxidación del 11, 32 %.
En todos los casos existió pérdidas de aluminio debido a la reacción exotérmica, lo cual produjo la elevación brusca de temperatura y el derramamiento de la colada. Las pérdidas de aluminio fueron aproximadamente de un 5.5 %.
Determinación de las posibles aplicaciones industriales
Utilizando la aleación obtenida con composición química de 75%Cu-18.71%Zn-6.13%Al, se elaboró una probeta plana, luego se deformó en forma curva y posteriormente se templó a 850oC en agua, finalmente se
comprimió en la máquina universal y el material presentó un comportamiento elástico, por lo que una posible aplicación sería como ballesta, o cimbras de armas de fuego.
Con las propiedades de la aleación antes descrita obtenidas experimentalmente, se procedió a realizar una simulación estática y no lineal en Solidworks de una viga pequeña (194.7 mm de largo, 12.9 mm de ancho y 5 mm de espesor) empotrada en un extremo obtenida de este material, se aplicó una carga de 45 kg, obteniendo una deflexión máxima de 20 mm en el caso estático y de 13 mm en el caso no lineal en 0.5 segundos, por lo que se podría utilizar como vigas y en estructuras de máquinas.
Mediante mecanizado la aleación (75%Cu-18.71%Zn-6.13%Al) se redujo a un espesor de 0.3 mm y se
comportó como un resorte, por lo que podría aplicarse como actuadores eléctricos. Un ejemplo se muestra en la figura 1.
Figura 1: Aleación (75%Cu-18.71%Zn-6.13%Al) de 0.3 mm de espesor.
DISCUCIÓN
Desde el año 2000 se han desarrollado en la Universidad de Chile estudios sobre aleaciones con memoria para uso en disipación de energía sísmica. Se presentaron varias tesis en los departamentos de Ingeniería Civil y Mecánica de composición cercana a la usada por el Centro Atómico de Bariloche (CAB) en monocristales. Los valores nominales de tales composiciones se presentan en la Tabla 5.
Tabla 5: Composición Nominal de las aleaciones obtenidas por otros investigadores [4].
Componentes
Aleación Cu(%wt) Zn(%wt) Al(%wt)
Bariloche 75.35 16.90 7.71
Vera [34] 75.00 17.04 7.24
Pedrasa [33]
75.37 19.91 7.07
Vargas [35]
74.12 20.04 5.82
Saldavia [39]
67.80 27.00 3.70
En la presente investigación se obtuvieron dos tipos de materiales inteligentes con memoria de forma base cobre, la primera que recupera su forma original al aplicarle calor una vez que ha sido deformada, y la segunda que se comporta como un material superelástico que recupera su forma original al retirar la carga que la deforma, cuyas composiciones químicas se muestra en la Tabla 6.
Tabla 6: Composición aleaciones inteligentes con memoria de forma CuZnAl obtenidas.
Componentes
Aleación Cu(%wt) Zn(%wt) Al(%wt)
Aleación 1 69.70 23.49 6.71
Aleación 2 (Superelástica)
75.00 18.71 6.13
Cuando se compararon las aleaciones, con las obtenidas en Bariloche y en la Universidad de Chile, se determinó que tienen composiciones y comportamientos similares de seperelásticidad, por lo que se buscó posibles aplicaciones diferentes a los disipadores sísmicos, aportando de esta manera al desarrollo industrial y tecnológico de las aleaciones inteligentes con memoria de forma base cobre.
CONCLUSIONES
En esta investigación se consiguió obtener cinco aleaciones con memoria de forma base cobre con diferente composición, obtener sus estructuras metalográficas y propiedades mecánicas utilizando normas ASTM. La aleación con composición 69.7 % Cu, 23.49 % Zn, 6.71 % Al, que recuperó su forma original al aplicarle
calor una vez que fue deformada, se sugiere utilizarla en elementos de unión para tuberías.
La aleación con composición 75%Cu, 18.71%Zn, y 6.13%Al, que presentó un comportamiento elástico, se sugiere aplicarla en muelles tipo espiral o ballesta, en actuadores eléctricos y mecánicos, en estructuras de puentes, en bases de maquinaria para absorber vibraciones, columnas y vigas de maquinaría y en barras de torsión.
En futuras investigaciones se determinarán otras propiedades de las aleaciones obtenidas, y en función de estas se experimentaran otras aplicaciones.
AGRADECIMIENTOS
A la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica, por su apoyo incondicional tanto con los laboratorios de Materiales y Resistencia de Materiales, así como con sus Docentes de éstas áreas.
A la empresa ECUATRAN, por su donación del cobre electrolítico para el desarrollo de esta investigación. A la empresa FALESA, por su colaboración en la determinación de la composición química de las aleaciones obtenidas mediante espectrometría de emisión óptica.
REFERENCIAS
[1] F. Peña. Caracterización de la cinética de crecimiento de grano, desgaste y corrosión en aleaciones inteligentes con memoria de forma base cobre para aplicaciones tecnológicas. Barcelona. Artículo, Politécnica de Catalunya, pp. 113-120, 2000.
[2] E. Zelaya, Estabilidad de fases bajo irradiación en aleaciones con memoria de forma base cobre, tesis Ph.D, Universidad Nacional de Cuyo, San Carlos de Bariloche, pp. 112-116, 2006.
[3] B. Rashmi, V. Nitin y Otros. Inteligencia en materiales Innovadores, 2008.
[4] P. Gibson, Fabricación y caracterización de una aleación con memoria de forma CuZnAl considerada para disipadores sísmicos, tesis ingeniería, Universidad de Chile, Santiago de Chile, pp. 13-24, 2008.
[5] G. Astorga. Modelo mediante lógica difusa que representa el comportamiento de barras de CuZnAl. tesis ingeniería. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Departamento de Ingeniería Civil, pp. 3-20, 71-72. 2009.
[6] L. López. Síntesis y caracterización de nanopartículas y películas delgadas por métodos físicos a partir de aleaciones con efecto de memoria de forma, tesis Ph.D, Universidad Autónoma de Nuevo León, San Nicolas De Los Garza, N. L, pp. 39-148, 2011.
[7] M. Branciforte y otros, Configuración experiemntal para analizar la relación entre la resistencia y la longitud de los cables de SMA, I Congreso Internacional de Ingeniería de Sistemas Innovadores, DOI: 10.1109/ICIES.2012.6530849, 2012.
[8] American Society for Testing Materials, Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens, E-3, West Conshohocken, 2011
[9] Metallography and Microstructures. ASM Handbook for Materials Research and Engineering, volume 9, USA: ASM International, 2004.
[10] American Society for Testing Materials, Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials, E-10, West Conshohocken, 2010.
[11] American Society for Testing Materials, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, E-8, 2010.
[12] Mechanical Testing and Evolutión, ASM Handbook, volume 8, USA, 2000.
[13] American Society for Testing Materials, Standard Practice for Strain– Controlled Fatigue Testing, E-606, West Conshohocken, 2004.
[14] American Society for Testing Materials, Standard Test Method for Bending Fatigue Testing for Copper-Alloy Spring Materials, B-593, West Conshohocken, 2009.
UNIDADES Y NOMENCLATURA
SMA Aleaciones con memoria de forma
Znequiv zinc equivalente (%)
Cu cobre
X % de zinc
K coeficiente de equivalencia en zinc (adimensional) CuZnAl leación cobre, zinc, aluminio
HRB dureza rockwell B
β fase beta
α fase alfa
FeCl3 cloruro férrico