UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE
INGENIERÍA METALÚRGICA
EFECTO DEL TIEMPO DE TEMPLE EN UNA ALEACIÓN
CUPROALUMINIO COBRE - 10% ALUMINIO REVENIDO A
400°C SOBRE LA RESISTENCIA AL DESGASTE,
RESISTENCIA AL IMPACTO Y DUREZA
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO METALURGISTA
AUTORES:
Br. ORTIZ CÁRDENAS, Walter Alfonso
Br. SANTILLAN SANTOS, Jairzinho de Carlo
ASESOR:
Dr. Ing. PURIZAGA FERNÁNDEZ, Ismael
TRUJILLO – PERÚ
JURADO EVALUADOR
………
Dr. Jorge Vera Alvarado PRESIDENTE
CIP: ………
………
Mg. Luis Aguilar Rodríguez SECRETARIO
CIP: ………
………
Dr. Ismael Purizaga Fernández ASESOR
DEDICATORIA
A Dios:
Por acompañarme en cada momento de mi vida, por los planes que tiene para mí y por su interminable amor.
A mis padres:
Walter y Delia, por haberme acompañado, apoyado y motivado en esta etapa, por sus sabios consejos y su amor; los cuales me han permitido ser una persona de bien.
A mis familiares y amigos: A mi abuela Josefina, mi tía Adela y a cada uno de mis
amigos y familiares que
participaron directa o
indirectamente en esta tesis. ¡Gracias a ustedes!
DEDICATORIA
A Dios:
Por las bendiciones sobre mi familia y por conservar nuestra unión, por la fe de mis padres en su infinito amor reflejado en cada uno de estos actos.
A mi familia:
En especial a mis queridos padres,
por haberme enseñado con ejemplo y
dedicación el valor del esfuerzo, por
haberme formado en valores y
guiado cada uno de mis pasos a
pesar de la distancia y; por respetar
mis decisiones y ser partícipe de cada
una de ellas.
A mis amigos y compañeros de la universidad:
Por el placer de haber
compartido las mejores
experiencias, alegrías y
anécdotas a lo largo de nuestra carrera universitaria
AGRADECIMIENTO
Deseo expresar mi más sincero agradecimiento al ingeniero Ismael Purizaga
Fernández por su colaboración, consejos y sugerencias para la elaboración de esta
tesis; así como, por la motivación que tuvo hacia nuestra persona
También a todos los ingenieros de la escuela de Ingeniería Metalúrgica por su tiempo y
dedicación en brindarnos sus enseñanzas durante nuestro tiempo de estudio.
Por último, agradecer a todas aquellas personas que de alguna manera nos han
contribuido su ayuda, en cumplir una de nuestras metas más anheladas, deseamos
manifestarles nuestro más sincero agradecimiento
RESÚMEN
En la presente investigación se ha estudiado el efecto del tiempo de temple en
una aleación cuproaluminio: cobre – 10% aluminio calentada a 900°C a los tiempos de
1, 2, 3 y 4 horas, temple en agua y revenidos a 400°c por 1 hora, sobre la resistencia al
desgaste, resistencia al impacto y dureza. Para tal propósito se fundió discos de
diámetro exterior de 40 mm, diámetro interior de 16 mm y 15 mm de espesor coladas
en molde de arena de donde se obtuvieron las probetas para el ensayo de desgaste
según norma ASTM G77; y barras cuadradas de 12 mm x 12 mm x 180 mm de longitud
coladas en molde de arena de donde se obtuvieron las probetas para el ensayo de
impacto Charpy según norma ASTM E23-98, y para el ensayo de dureza según la norma
ASTM E-140. Se determinó que la aleación cobre -10% aluminio fundida y colada en
molde de arena, microestructuralmente, consta de fase alfa (α) y eutectoide (α+ϒ2) y
que después del temple a los tiempos de estudio, revenido a 400°C la estructura
consta de fase alfa (α) y martensita revenida (β´). Los resultados indican que el tiempo
de temple en el intervalo de 1 a 4 horas a 900°C y revenido a 400°C por 1 hora afecta
significativamente la resistencia al desgaste, resistencia al impacto y dureza. De tal
manera que a medida que se incrementa el tiempo de temple en el rango de 1 a 4
horas y revenido a 400°C la dureza y la resistencia al desgaste disminuye, mientras que
la resistencia al impacto aumenta. Y con el tratamiento térmico de revenido a 400°C
para todas las probetas templadas a 900°C a los tiempos de estudio las propiedades
estudiadas mejoran notablemente comparadas a las probetas solo con temple.
Se concluye que la aleación cobre – 10% aluminio responde bien al tratamiento
térmico de temple y revenido, y que en las condiciones de estudio el tiempo de temple
a 1 hora y revenido a 400°C es la más adecuada. De igual manera el tiempo de temple
de 1 a 4 horas a 900°C y revenido a 400°C afecta significativamente sobre las
propiedades evaluadas, según el análisis estadístico con un nivel de confianza del 95%.
Palabras claves: Cuproaluminio, tiempo de temple, revenido, desgaste, impacto y
ABSTRACT
In the present investigation the time of the temple has been studied in a
copper-aluminum alloy: copper - 10% copper-aluminum heated to 900 ° C at the times of 1, 2, 3 and 4
hours, temple in water and tempered at 400 ° C for 1 hour, about wear resistance,
impact resistance and hardness. For this purpose, discs with external diameter of 40
mm, internal diameter of 16 mm and thickness of 15 mm cast in sand mold were cast
from where the tests for the wear test according to ASTM G77 standard were obtained;
and square bars of 12 mm x 12 mm x 180 mm length cast in sand mold from where the
tests were obtained for the Charpy impact test according to ASTM E23-98, and for the
hardness test according to the ASTM E-norm. 140. It was determined that the copper
alloy -10% molten aluminum and cast in sand mold, microstructurally, consists of alpha
(α) and eutectoid (α + Υ2) phase and that after the temple at the time of study,
tempered to 400 ° C the constant structure of phase alpha (α) and martensite
abatement (β '). The results indicate that the temple time in the range of 1 to 4 hours at
900 ° C and the tempering at 400 ° C for 1 hour affects the wear resistance, impact
resistance and hardness. In such a way that as the time of the temple increases in the
range of 1 to 4 hours and the tempering to 400 ° C the resistance and wear resistance,
while the impact resistance increases. And with the thermal treatment of tempering at
400 ° C for all the hardened specimens at 900 ° C at the time of study, the properties
studied improved remarkably compared to the specimens only with tempering.
It is concluded that the copper alloy - 10% aluminum responds well to the temple heat
treatment and tempering, and that in the study conditions the temple time to 1 hour and
the rest to 400 ° C is the most appropriate. Similarly, the temple time from 1 to 4 hours
at 900 ° C and tempering at 400 ° C, significantly on the evaluated properties,
according to the statistical analysis with a confidence level of 95%.
ÍNDICE
Dedicatoria ... i
Agradecimiento ... iii
Resumen ... iv
Abstract ... v
Índice ... vi
Lista de tablas ...ix
Lista de figuras ... x
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Realidad problemática ... 1
1.2 Antecedentes ... 3
1.3 Fundamento teórico ... 7
1.3.1 Cuproaluminios o aleaciones cobre - aluminio ... 7
1.3.2 Características de los bronces al aluminio y aplicaciones ... 16
1.3.3 Comparación entre bronces y aceros ... 17
1.3.4 Aplicaciones de los cuproaluminios ... 17
1.3.5 Tratamiento térmico de los bronces al aluminio o cuproaluminios ... 18
1.3.6 Ensayo de desgaste... 21
1.3.7 Ensayo de impacto... 23
1.3.8 Ensayo de dureza ... 25
1.4 Problema ... 26
1.5 Hipótesis ... 26
1.6 Objetivos ... 27
1.6.1 Objetivos generales ... 27
CAPÍTULO II
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Material de estudio ... 28
a. Composición química de los elementos de la aleación en estudio ... 28
b. Propiedades mecánicas y físicas de los elementos de la aleación en estudio ... 28
2.1.1. Muestra ... 29
2.1.2. Equipos, materiales e Instrumentos ... 31
a. Equipos ... 31
b. Instrumentos ... 32
c. Materiales consumibles y reactivos ... 32
2.2. Métodos y técnicas ... 33
2.2.1. Modelo Experimental ... 33
2.2.2. Matriz de datos ... 34
2.3. Procedimiento experimental ... 35
CAPÍTULO III RESULTADOS 3.1.Resultados del ensayo de dureza ... 40
3.2.Resultados del ensayo de impacto ... 42
3.3.Resultados del ensayo de desgaste ... 44
CAPÍTULO IV DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4.1. Del ensayo de dureza ... 47
4.3. De la resistencia al desgaste ... 49
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. Conclusiones ... 51
5.2. Recomendaciones ... 52
Referencias bibliográficas ... 53
APÉNDICE I ANÁLISIS ESTADÍSTICO I.1. Modelo estadístico ... 57
I.2. Análisis de varianza para el diseño de un solo factor ... 57
I.3. Análisis de varianza de resultados de dureza (HB) ... 59
I.4. Análisis de varianza de resultados de resistencia al impacto (J) ... 60
I.5. Análisis de varianza de resultados de resistencia al desgaste (mg) ... 61
I.6. Análisis de residuos ... 62
APÉNDICE II CÁLCULOS COMPLEMENTARIOS II.1 Resultados del ensayo de resistencia al desgaste ... 65
II.2 Cálculo del porcentaje de fases de la aleación cobre – 10% aluminio ... 68
II.3 Cálculo de la densidad de la aleación cobre – 10% aluminio ... 68
ANEXOS
Fotografías ... 72
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1.1. Ensayo de dureza Brinell. ... 26Tabla 2.1 Composición química de los metales de la aleación en estudio ... 28
Tabla 2.2 Propiedades mecánicas y físicas e los metales de la aleación en estudio ... 28
Tabla 2.3 Modelo matricial de un solo factor para el análisis de resultados ... 34
Tabla 2.4 Matriz de orden de datos del experimento matricial de un solo factor para determinar la resistencia al desgaste, resistencia al impacto y dureza ... 34
Tabla 3.1. Resultados del ensayo de dureza (HB) en probetas de aleación Cu – 10% Al calentados a 900°C a los diferentes tiempos de estudio y con temple en agua... 40
Tabla 3.2. Resultados del ensayo de dureza (HB) en probetas de aleación cobre – 10% aluminio para los diferentes tiempos de temple a 900°C, templados en agua y revenidos a 400°C por 1 hora ... 41
Tabla 3.3. Resultados del ensayo de resistencia al impacto (J) en probetas de aleación Cu - 10% Al, calentado a 900°C a los tiempos de estudio y con temple en agua ... 42
Tabla 3.4. Resultados del ensayo de resistencia al impacto (J) en probetas de aleación cobre – 10% aluminio para los diferentes tiempos de temple a 900°C, templados en agua y revenidos a 400°C por 1 hora ... 43
Tabla 3.5. Resultados del ensayo de desgaste (mg) en probetas de aleación cobre 10% aluminio, calentado a 900°C a los tiempos de estudio y con temple en agua ... 44
Tabla 3.6. Resultados del ensayo de desgaste (mg) en probetas de aleación cobre – 10% aluminio para los diferentes tiempos de temple a 900°C, templados en agua y revenidos a 400°C por 1 hora ... 45
Tabla I.1. Tabla de datos a calcular para el análisis de varianza de un solo factor ... 58
Tabla I.3. Análisis de varianza de resultados de resistencia al impacto (J) ... 60
Tabla I.4. Análisis de varianza de resultados de resistencia al desgaste (mg) ... 61
Tabla II.1. Resultados del ensayo de desgaste (pérdida de peso) en probetas de aleación Cu – 10% Al calentados a 900°C a los tiempos de estudio y temple en agua .. 66
Tabla II.2. Resultados del ensayo de desgaste (pérdida de peso) en probetas de aleación cobre – 10% aluminio calentados a 900°C a los tiempos de estudio, temple en agua y revenidos a 400°C por 1 hora ... 67
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1.1. Porción rica en cobre del sistema de aleación cobre-aluminio ... 9Figura 1.2. Estructuras de un bronce al aluminio ... 13
Figura 1.3. Degaste adhesivo ... 22
Figura 1.4. Ensayo de Impacto Charpy (MVC) estándar ... 24
Figura 1.5. Etapas para la medida de dureza con un penetrador cónico de diamante . 25 Figura 2.1. Dimensiones del disco de aleación cuproaluminio: cobre – 10% aluminio para la obtención de probetas para el ensayo de desgaste ... 29
Figura 2.2. Dimensiones de las barras cuadradas de aleación cuproaluminio: cobre – 10% aluminio para la obtención de probetas para ensayo de impacto y dureza ... 29
Figura 2.3.Probeta para el ensayo de desgaste según norma ASTM G77 ... 30
Figura 2.4. Probeta para el ensayo de impacto (Charpy) según norma ASTM E23-98 .. 31
Figura 2.5. Probeta para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140 y análisis metalográfico ... 31
Figura 2.6. Diagrama de bloques del procedimiento experimental ... 35
Figura 2.7. Elementos para el ensayo de desgaste ... 38
Figura 3.2. Efecto del tiempo de temple (hrs) sobre la dureza en probetas de aleación
cobre – 10% aluminio, calentada a 900°C a los tiempos de estudio con temple en agua
y revenidos a 400°C por 1 hora ... 42
Figura 3.3. Efecto del tiempo de temple (hrs) sobre la resistencia al impacto (J) en
probetas de aleación cobre – 10 % aluminio calentados a 900°C a tiempos de estudio
con temple en agua ... 43
Figura 3.4. Efecto del tiempo de temple (hrs) sobre la resistencia al impacto (J) en
probetas de aleación cobre – 10% aluminio, calentada a 900°C a los tiempos de estudio
con temple en agua y revenidos a 400°C por 1 hora ... 44
Figura 3.5. Efecto del tiempo de temple (hrs) sobre la resistencia al desgaste (mg) en
probetas de aleación cobre – 10 % aluminio calentados a 900°C a tiempos de estudio
con temple en agua ... 45
Figura 3.6. Efecto del tiempo de temple (hrs) sobre la resistencia al desgaste (mg) en
probetas de aleación cobre – 10% aluminio, calentada a 900°C a los tiempos de estudio
con temple en agua y revenidos a 400°C por 1 hora ... 46
Figura I.1. Gráfica de probabilidad normal de los residuos para datos de dureza (HB) . 62
Figura I.2 Gráfica de probabilidad normal de los residuos para los datos de resistencia
al impacto (J)) ... 63
Figura I.3 Gráfica de probabilidad normal de los residuos para los datos de resistencia
al desgaste (mg) ... 64
Figura III.1. Fotomicrografía de la aleación cobre – 10% aluminio fundido en molde de
arena ... 69
Figura III.2. Fotomicrografía de la aleación cobre – 10% aluminio, calentado a 900°C
por 1 hora, temple en agua y revenido a 400°C por 1 hora ... 70
Figura III.3. Fotomicrografía de la aleación cobre – 10% aluminio, calentado a 900°C
Figura III.4. Fotomicrografía de la aleación cobre – 10% aluminio, calentado a 900°C
por 3 horas, temple en agua y revenido a 400°C por 1 hora ... 71
Figura III.5. Fotomicrografía de la aleación cobre – 10% aluminio, calentado a 900°C
por 4 horas, temple en agua y revenido a 400°C por 1 hora ... 71
Figura A.1. Molde de arena sílice para la obtención de barras cuadradas de 12 x 12 x
180 mm y obtención de discos para probetas de desgaste ... 73
Figura A.2. Barras cuadradas de aleación cobre – 10% aluminio para obtención de
probetas para ensayo de impacto ... 73
Figura A.3. Discos de aleación cobre – 10% aluminio para la obtención de las probetas
de desgaste ... 73
Figura A.4. Probetas para el ensayo de impacto según norma ASTM E-23 ... 73
Figura A.5. Probetas para el ensayo de desgaste según norma ASTM G77 ... 74
Figura A.6. Instalación de probetas de aleación cobre – 10% aluminio en el equipo de
desgaste ... 74
Figura A.7. Ensayo de desgaste de probetas de aleación cobre – 10% aluminio ... 74
Figura A.8. Probetas de aleación Cu – 10% Al desgastadas después del ensayo ... 74
Figura A.9. Pesaje de probetas de aleación cobre – 10% aluminio en la balanza
analítica ... 75
Figura A.10. Máquina de ensayo de impacto de péndulo, Heckert ... .75
Figura A.11. Durómetro digital TIME GROUP THBRV 187.5 para el ensayo de dureza
Brinell (HB) ... 75
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1.Realidad problemática
La demanda de las aleaciones base cobre llamadas bronces, especialmente los
bronces al aluminio o cuproaluminio, actualmente está creciendo rápidamente atribuido
únicamente a la combinación de sus propiedades como dureza, ductilidad, resistencia al
desgaste, resistencia al impacto, resistencia a la corrosión, resistencia a la tracción, fácil
mecanizado y a sus múltiples aplicaciones que tiene estas aleaciones, según esto tiene una
notable influencia en la economía debido a que la mayoría de piezas fabricadas con esta
aleación como: piñones o engranajes, anillos de sincronización de caja de cambio, turbinas
hidráulicas, válvulas, estructuras para lanzamiento de misiles submarinos, hélices marinos
de gran tonelaje, herramientas y equipos amagnéticos para evitar incendios, cojinetes,
tornillos sin fin, tuerca de ajuste, entre otros., son importados. (Cenoz y Fernández, 2007,
p. 272)
Los cuproaluminios son aleaciones base cobre que contienen de 6 a 12% de aluminio,
que pueden contener otros elementos como níquel, hierro, manganeso, modificando su
microestructura y mejorando sus propiedades mecánicas. Las propiedades que se
obtienen en estas aleaciones muchas veces son superiores a los que tienen los aceros de
autopartes de equipos y maquinarias. Haciendo que estas aleaciones sean una de las más
versátiles que existen.
Las propiedades mecánicas de los bronces al aluminio o cuproaluminios dependen
casi siempre del contenido de aluminio y del tratamiento térmico. Y este tratamiento
térmico al igual que los aceros consta de temple y revenido alcanzando durezas entre 110
HB hasta aproximadamente 400 HB. (Vega y Sánchez, 2009, p. 1314)
Actualmente existe en la localidad empresas metal – mecánicas como Creditex,
Factoría Industrial (FISA) y muchas empresas agroindustriales, entre otros, que sus
máquinas utilizan piñones y guías de desplazamiento fabricadas de este tipo de aleación,
que casi siempre son importados, debido al desconocimiento de las propiedades
mecánicas benéficas que tienen esta aleación.
En la región existen muchas fundiciones que se limitan únicamente a fundir bronce de
chatarra y a colar la aleación líquida en moldes sin ningún criterio tecniico, sin tener en
cuenta el tipo de servicio al que serán sometidas las piezas fundidas, ni composición
química adecuada y peor aún sin someterle a algún tratamiento térmico para mejorar sus
propiedades mecánicas. Debido al desconocimiento que ellos tienen, que las aleaciones
cuproaluminios pueden ser sometidos a tratamientos térmicos de temple y revenido al
igual que los aceros al carbono y así mejorar sus propiedades mecánicas. Esto trae consigo
problemas en cuanto a sus propiedades mecánicas al no cumplir con los requerimientos
En la presente investigación se pretende establecer el efecto del tiempo de temple en
el rango de 1 a 4 horas en una aleación cuproaluminio cobre – 10% aluminio, colada en
molde de arena sobre la resistencia al degaste, resistencia al impacto y dureza, con la
intención de que sirva como aporte a las empresas metalúrgicas dedicadas a la obtención
de piezas fundidas, ingenieros y técnicos dedicados al rubro de la fundición y demostrar
que a esta aleación es factible aplicar el tratamiento térmico de temple y revenido igual
que en los aceros, en la mejora de las propiedades mecánicas de esta aleación. También
dar a conocer la forma de obtener esta aleación, las bondades de la misma en estado
fundido y con tratamiento térmico.
1.2.Antecedentes
Cenoz I. y Fernández J. (2007), en su investigación concluyen que: los cuproaluminios
que contienen entre 8 a 12% de aluminio que pueden tener hierro, níquel y manganeso
son una familia de aleaciones con excelentes propiedades mecánicas, resistentes a la
corrosión y que estas aleaciones son susceptibles a tratamiento térmico, donde a una
temperatura de temple de 880°C y temperatura de revenido a 400°C se obtienen las
mejores propiedades mecánicas.
Bunn P. y Wilkins I. (1999), Investigaron sobre la composición química de los
cuproaluminios concluyen que: la máxima solubilidad del aluminio en cobre es 9.5% a
565°C y que la fase β sufre una reacción eutectoide para formar la mezcla (α+ϒ2) y que las
poseen entre 7.5% y 11% de aluminio son aleaciones bifásicas (α+ϒ2), estas tienen
importancia industrial y son tratadas térmicamente (temple + revenido) donde se obtiene
una estructura martensítica (β’) parecida a la martensita del acero aumentando
considerablemente sus propiedades mecánicas.
Hosford S. y Duncan L. (1994), Estudiaron a la aleación cobre – aluminio
(cuproaluminios) y concluyeron que: los bronces al aluminio que contienen más de 9% de
aluminio forman una fase β al calentar por encima de 565°C (temperatura eutectoide). Y
que al enfriar, el eutectoide produce una estructura laminar (parecida a la perlita) que
contiene α+ϒ2, este producto es débil y frágil, pero se puede templar la estructura β para
producir martensita β’ obteniéndose una buena combinación de alta resistencia,
ductilidad, alta tenacidad, alta resistencia al desgaste y a la corrosión debido a la
precipitación de finas plaquetas de α a partir de β’ llamada martensita revenida.
Luna C. y Gaitan P. (2012), en su investigación del efecto del hierro y níquel en los
cuproaluminios, concluyen que: la fase β confiere a las piezas fundidas elevada dureza y
resistencia mecánica, debido a que la transformación eutectoide se realiza muy
lentamente y la presencia de elementos como el Fe y Ni en los cuproaluminio produce una
nueva fase denominada K, compuesto de Fe, Ni y Al, que comienzan a formarse
aproximadamente a 900°C por descomposición de la martensita (β’) en un constituyente
Ruiz M. y Enriquez J. (1997), En el estudio realizado a cuproaluminios concluye que:
cuando se aplica el tratamiento térmico de temple, calentado desde 850 a 900°C, puede
ocurrir dos tipos de transformación martensíticas: β’ (para %Al < 13) y ϒ’ (para %Al > 13) y
que la martensita β’ es hexagonal. También concluyen que la martensita (ϒ’) para bronces
mayores de 13% de aluminio no tiene aplicación industrial debido a que es muy frágil.
Shaco F. (1979), concluye que: los bronces al aluminio pueden alcanzar dureza por
efecto de su composición química y el tratamiento térmico entre 90 Brinell y 330 Brinell,
valores de resistencia a la rotura de 70 a 76 kg/mm2, límite elástico de 40 a 45 kg/mm2
con alargamiento de 4 a 6%, y que estos valores son parecidos a las obtenidas en los
aceros de bajo carbono bonificados (temple + revenido).
Cuando se funde o se agrega aluminio al cobre líquido, para obtener las aleaciones de
bronce al aluminio o cuproaluminios, el proceso de fusión debe ser muy cuidadoso más de
lo habitual por la tendencia del aluminio a absorber hidrógeno y obtener como
consecuencia porosidad de gas, que aumenta con la temperatura de colada. (Ostrom C.,
1974, p. 51 - 56)
Chávez E. y Ramírez L. (2016), en la investigación del tratamiento térmico de temple y
revenido en las aleación cobre – 10% aluminio calentado a 900°C y revenido a 400°C
concluyen que: el tiempo de temple en el rango de 1 a 3 horas a 900°C y el tiempo de
tracción y ductilidad. El aumento del tiempo de temple disminuye la dureza, resistencia a
la tracción y aumenta la ductilidad debido a que la fase alfa (α) acicular de la martensita
(β’) se hace basta. El aumento del tiempo de revenido de 1 a 3 horas a 400°C disminuye la
dureza, resistencia a la tracción y aumenta la ductilidad para todos los niveles de tiempo
de temple.
Panduro J. y Villavicencio H. (2014), investigaron el efecto del aluminio en la aleación
base cobre sobre las propiedades mecánicas y concluyen que: el porcentaje de aluminio
en el rango de 3 a 15% de una aleación base cobre afecta significativamente la dureza,
resistencia al impacto y resistencia al desgaste. Aumenta la dureza desde 93 HB para 3%
de aluminio hasta 300.30 HB para 15% de aluminio y en cuanto a la resistencia al impacto,
ésta disminuye, y la resistencia al desgaste aumenta con el incremento del porcentaje de
aluminio, debido a la fase eutectoide (α+ϒ2) que es dura y frágil, y al incremento de la fase
eutectoide según se aumenta el porcentaje de aluminio. La aleación cobre – 10% aluminio
es la adecuada porque en ella se obtuvo las mejores propiedades en estudio.
Dionicio E. y Vega V. (2010), en la investigación sobre la influencia de los
micro-aleantes en una aleación de bronce al aluminio o cuproaluminio, concluye que: en los
cuproaluminio, el aluminio incrementa la tracción, el límite elástico en deterioro del
alargamiento (ductilidad) y que el hierro es afinador de grano aumentando las
propiedades mecánicas, el níquel aumenta la solubilidad del hierro mejorando las
1.3.Fundamento teórico
1.3.1.Cuproaluminios o aleaciones cobre - aluminio
Los cuproaluminios son aleaciones con base cobre en el cual el aluminio es el principal
elemento de aleación que se agrega, con un contenido del 5 al 12% de aluminio, aunque
en algunos países (USA) se utilizan composiciones de aluminio hasta 15%. También a estas
aleaciones se les puede añadir elementos de aleación tales como Fe, Ni, Mn, etc., o sin
elementos aleantes.
Clasificación de los cuproaluminios
Los cuproaluminios se pueden clasificar básicamente en dos tipos: aquellos
susceptibles a los tratamientos térmicos y aquellos que no responden a ellos. Los que
responden a los tratamientos térmicos usualmente incrementan la resistencia y la dureza
con la aplicación del tratamiento.
El desarrollo de la fundición de estos dos tipos de cuproaluminios es básicamente el
mismo. Es conveniente dar una clasificación a diferentes tipos de cuproaluminios
existentes, basándose en los constituyentes que están en las estructuras de estas
aleaciones. Por lo que se pueden dividir en cuatro grupos de cuproaluminios:
Monofásicos Binarios: formado por la fase α y en cuya composición no están más que
cobre y aluminio. En la práctica suelen tener entre 4 a 8% aluminio. Son aleaciones de
al desgaste es elevada, tiene alta capacidad de deformación, son resistente a la
cavitación y son fácilmente soldables.
Monofásicas complejas: son las formadas únicamente por la fase α, pero que además
del cobre y aluminio entra en su composición otros elementos.
Bifásicos y polifásicos binarios: compuestos por cobre y aluminio entre 8 y 11% pero en
su estructura existe fase α + β, pudiendo en determinadas circunstancias aparecer la
fase ϒ2 + β.
Polifásicas complejas: además del cobre y aluminio, entran otros elementos a formar
parte de su composición, tales como Fe y Ni, y en su estructura existe un constituyente
K rico en Fe. (Luna y Gaitán, 2012, p. 180 – 185)
Diagrama de equilibrio cobre – aluminio (Cu – Al)
Para el estudio de los bronces al aluminio se hace uso del diagrama de equilibrio
cobre – aluminio. La figura 1.1 muestra la porción rica en cobre del sistema de aleación
Figura 1.1. Porción rica en cobre del sistema de aleación cobre-aluminio. Fuente: Avner
S., 1979, p. 471.
Una aleación del sistema Cu – Al con 11.8% de aluminio, a temperatura superior a
565°C forma una solución sólida secundaria llamada β (ver figura 1.1). Si enfriamos
lentamente debajo de 565°C se forma un constituyente bifásico (eutectoide) formado por
dos fases y son solución sólida de aluminio en cobre (fase α) y una fase intermedia
Reacción eutectoide: β (11.8% Al) α (9.5% Al) + ϒ2 (15.6% Al)
Aquí el eutectoide está formado por una solución sólida blanda y deformable (α) y
otra dura, frágil y quebradiza (ϒ2).
La fase alfa (α) es FCC, tiene 4 átomos por celda unitaria, tiene buena resistencia a la
corrosión, es blanda y dúctil. La fase β es BCC, tiene una composición variable alrededor
de Cu3Al, esta fase es más dura y menos dúctil que alfa (α). La fase gamma 2 (ϒ2) tiene
estructura BCC y es un compuesto electrónico de composición Cu9Al4.
Entonces un cuproaluminio con menos de 11.8% hasta 9.5% e aluminio será
hipoeutectoide constituido de fase alfa (α) y mezcla de eutectoide (α + ϒ2).
Cuproaluminios con más de 11.8% de aluminio serán hipereutectoides que constan de
mezcla eutectoide (α + ϒ2) y gamma 2 (ϒ2).
Si calentamos un cuproaluminio hasta una temperatura tal que se alcance el estado
de solución sólida beta (β) y luego enfriamos bruscamente (en agua) evitaremos la
transformación eutectoide y se forma una estructura acicular gruesa llamada martensita
(al igual que los aceros) y también se cree que hay precipitación de agujas de solución
Diagrama de equilibrio cobre – aluminio (Cu – Al)
Fase Alfa (α): es una solución sólida primaria de aluminio en cobre, que cristaliza en el
sistema cúbico de caras centradas (FCC), siendo los átomos de aluminio de sustitución. La
solubilidad del aluminio en la fase alfa (α) crece ligeramente según la temperatura, de 9%
de aluminio a la temperatura ambiente, a 9.4% de aluminio a 350°C, quedando constante
entre 350 y 565°C, para luego decrecer por encima de 565°C hasta llegar a un valor de
7.4% a 1035°C. La fase alfa (α) es muy maleable en frío, pero presenta a temperatura
elevada una fragilidad relativa que hace susceptible a corrosión en caliente y a problemas
en soldadura. Las principales aleaciones industriales de cuproaluminios monofásicos son
el de 6 y 8% de aluminio.
Fase beta (β): se puede mencionar que esta fase se forma directamente del líquido
correspondiente a la composición estequiométrica Cu3Al. Esta fase es una aleación sólida
cúbica centrada (BCC), desordenada, estable solamente hasta cerca de 565°C, de carácter
metálico, maleable y conductor. A temperaturas donde solamente existe fase β pueden
soportar deformaciones importantes, lo cual es excelente aptitud para la soldadura, la
extrusión y por supuesto para el laminado en caliente. Esta fase por debajo de 565°C se
descompone en mezcla eutectoide (α + ϒ2).
La fase gamma 2 (ϒ2): presenta una estructura atómica compleja, de celda cúbica con
red gigante, similar a la fase tipo ϒ de los latones y aparece para un mínimo de 15.6% de
y se forma por la reacción eutectoide de la fase ϒ, que es estable solamente a alta
temperatura hasta los 780°C en el sistema binario Cu – Al.
La fase ϒ2 de concentración electrónica 21/13 es de un carácter metálico: es duro,
frágil y poca conductora, es un constituyente del eutectoide α + ϒ2.
La figura 1.2(a) muestra la estructura de primaria y eutectoide granular ( + 2),
representativa de un bronce en la condición de fundido sin tratamiento térmico al 10% de
aluminio. Al enfriarse en un horno desde un punto arriba de las temperaturas eutectoide,
se forma una estructura laminar semejante a la perlita, figura 1.2(b). Si la aleación bifásica
se templa entre 820 a 900 °C, se formara una estructura acicular parecida a la martensita,
figura 1.2(c).
Las aleaciones templadas se revienen entre 350 y 600 °C para aumentar la resistencia
y dureza. Los bronces al aluminio tratados térmicamente se utilizan para engranajes, ejes
motrices, aletas, piezas de bombas, cojinetes, bujes, herramientas que no formen chispas
Figura 1.2. Estructuras de un bronce al aluminio. Todas las muestras fueron atacadas
químicamente con nitrato férrico a) bronce al 10% de aluminio en la condición
de fundido sin tratamiento térmico que muestra primaria y eutectoide
granular, 750x, b) bronce al aluminio enfriado en horno que muestra eutectoide
laminar, 500X; c) bronce al 10.7 de aluminio templado que muestra una
estructura martensítica β, 100X. Fuente: Avner S., 1979, p. 473.
Efecto de los elementos aleantes
Los cuproaluminios pueden fabricarse con o sin elementos de aleación tales como el
Fe, Ni, Mn y Sí.
Efecto del Hierro: La adición de hierro es sumamente útil, ya que no solo mejora la
resistencia mecánica, sino que también retrasa el autorecocido (proceso de enfriamiento
lento desde el campo monofásico β, 900°C aproximadamente, que da una estructura
dúplex α primaria + eutectoide α1 + ϒ2, grosera y frágil). Se adiciona entre 0.5 al 5% y
estructura debido a su acción de afinador de grano disminuyendo la velocidad de
solidificación.
Efecto del manganeso: Mejora las calidades de fundición del material al mejorar la
colabilidad. Además tiene una acción desoxidante y desgasificante importante,
contribuyendo a la mayor solidez de las piezas fundidas. Este elemento tiene efecto
similar al hierro en afinar la estructura y, por consiguiente, mejorar las propiedades
mecánicas, estabiliza la fase β y reduce así el riesgo de descomposición eutectoide. Una
adición de 5% de Mn incrementa la resistencia a la tracción. Y una adición hasta 1.5
provee constancia de volumen, mejora la resistencia al agua de mar y aumenta el límite
de elasticidad.
Efecto del níquel: Este elemento aumenta la resistencia a la rotura y al impacto, el
níquel produce una gran estabilización de la fase β en aleaciones monofásicas. La mezcla α
+ β en aleaciones bifásicas puede ser retenida mediante un 2% de adición del níquel, aún
con una baja velocidad de enfriamiento. Es recomendable su uso para espesores mayores
de 10 mm porque es aquí donde ejerce la totalidad de sus cualidades, incrementando la
resistencia a la tracción.
Por otro lado la adición de níquel simultáneamente al de hierro, genera un efecto
favorable en la modificación de la estructura estable, pues el campo de formación del
de la solución sólida α, permitiendo mayores contenidos de aluminio, con lo que mejora
aún más la resistencia a la corrosión.
Efecto del silicio: Este es un elemento perjudicial que afecta especialmente la
soldabilidad, la resistencia al impacto y la ductilidad (por ejemplo en hélices de barcos, se
exige que el silicio, el hierro y el fósforo no excedan de 0.005% cada uno, ya que pueden
originar puntos duros), y porcentajes del orden de 0.005 al 2% mejora la maquinabilidad
de la aleación.
Efecto del estaño: La presencia de estaño en un cuproaluminio es muy peligroso, pues
lo fragiliza y endurece. Porcentajes menores de 0.2% mejora la resistencia a la corrosión
por el agua de mar.
Efecto del fósforo: La presencia de este elemento, por pequeñas cantidades que haya,
reduce la resistencia de la aleación y prolonga el intervalo de solidificación. El fósforo
afecta sensiblemente a la ductilidad y la elongación, en porcentajes menores de 0.05%
pues presenta un considerable efecto fragilizante, y genera puntos duros. Por
consiguiente no debe usarse como desoxidante.
Efecto del plomo: Se adiciona normalmente para mejorar el poder antifricción de la
aleación, pero además mejora la maquinabilidad. Si las propiedades de fabricación
resistencia a la tracción se verá afectada y no pasará de 30 kg/mm2. El plomo aumenta la
soldabilidad sensiblemente. Y porcentajes mayores de 0.5% de plomo afecta las
propiedades mecánicas. Se debe tomarse precauciones para evitar la segregación.
Efecto del zinc: Este elemento afecta a la resistencia a la corrosión de los
cuproaluminios pues favorece la descincificación y aún la desaluminización en ellos.
Porcentajes menores de 0.75% de zinc no afecta las propiedades mecánicas de las
aleaciones cuproaluminio (Vega y Castro, 2009, p.187 - 200).
1.3.2.Características de los bronces al aluminio y aplicaciones
La resistencia a la corrosión de los bronces al aluminio es mejor que la de los bronces
fosforados, es de suponer que debido a la formación de un óxido protector en virtud de la
adición de aluminio, esto se basa en el componente de aluminio de las aleaciones, que
reacciona con el oxígeno atmosférico para formar una capa superficial fina y resistente de
alúmina (Al2O3) que actúa de barrera a la corrosión de la aleación rica en cobre. Estos
bronces son resistentes a la corrosión por soluciones de cloruros y de potasa, ácidos
minerales no oxidantes y muchos ácidos orgánicos. Se utilizan extensamente en la
industria de pasta y papel por su mejor resistencia a los ambientes alcalinos. Los tubos,
bombas, válvulas, tanques, ejes, etc., de bronce de aluminio se emplean en ambientes
marinos, en la industria de pasta y papel, y en autoclaves para ácidos grasos (Weill y
Otra característica notable de los bronces al aluminio es su efecto bioestático. El
componente de cobre de la aleación previene la colorización al gas, líquenes y mejillones y
por lo tanto puede ser mejor que el acero inoxidable u otras aleaciones no cúpricas en uso
donde sería indeseable tal colonización. Los bronces al aluminio tienden a tener un color
similar al oro, debido a esta propiedad también se utilizan en orfebrería. (Mangonon,
2001, p. 591)
1.3.3.Comparación entre bronces y aceros
Aunque se desarrollan películas no se oxida bajo la superficie, son más frágiles y
tienen menos punto de fusión. Son aproximadamente un 10% más pesados que el acero, a
excepción de los compuestos de aluminio y sílice, también es menos rígido, por lo tanto
en aplicaciones elásticas como resortes acumulan menos energía que las piezas similares
de acero. Resisten a la corrosión, incluso la de origen marino, el umbral de fatiga metálica
es menor y son mejores conductores de calor y electricidad. Otra característica diferencial
de las aleaciones de bronce respecto al acero es la ausencia de chispa cuando se golpea
contra las superficies duras. Esta propiedad ha sido aprovechada para fabricar martillos,
masas, ajustables y otras herramientas para uso en atmósferas explosivas o en presencia
de gases inflamables (Ostrom, 1974, p. 56).
1.3.4.Aplicaciones de los cuproaluminios
Bronces al aluminio son los más utilizados en aplicaciones donde resistencia a la
Estas aplicaciones incluyen casquillos de fricción y componentes de tren de aterrizaje
de aeronaves, componentes de motor, fijaciones bajo el agua en la arquitectura naval y las
hélices de barcos. La estructura de coloración de oro en tonos de aluminio bronce
también ha lleva su uso en joyerías.
Bronces al aluminio se pueden soldar, utilizando la técnica en soldadura MIG con un
núcleo de bronce de aluminio y el gas argón puro.
Bronce al aluminio se utiliza para sustituir el oro para la fundición de coronas dentales
con tratamiento térmico. Las aleaciones utilizadas son químicamente inertes y tienen
apariencia de oro.
Las aleaciones de bronce al aluminio similares se utilizan de la fabricación de
monedas. En la industria del petróleo, petroquímica y aplicaciones anticorrosivas
especializadas (Shaco, 1979, p. 56 - 58).
1.3.5.Tratamiento térmico de los bronces al aluminio o cuproaluminios
El tratamiento térmico de los cuproaluminios se realiza para mejorar las propiedades
mecánicas, así como para que su composición, estructura y las características obtenidas
sean adecuadas. La similitud entre los diagramas de los bronces al aluminio y el diagrama
hierro – carbono de los aceros, permite que las aleaciones de cuproaluminios puedan
Las aleaciones de cobre aluminio que contienen entre 9 a 12% de aluminio son
aleaciones adecuadas para la realización del tratamiento térmico de temple, estas
aleaciones hipoeutectoides (figura 1.1) se calientan hasta la región bifásica + β y que al
enfriar a temperatura ambiente, están formadas por alfa () y eutectoide ( +2), debido
al enfriamiento moderado. Las aleaciones también se pueden calentar dentro de la región
β (figura 1.1) y templado generalmente en agua, aquí la fase β se transforma al templar en
una estructura conocida como martensita que es una estructura HCP (temple completo).
Los cuproaluminios que tienen entre 9 a 12% de aluminio pueden revenirse a
temperaturas menores a la eutectoide para producir al igual que los aceros una estructura
de martensita revenida, haciendo que este material tenga alta dureza y alta tenacidad.
(Avner, 1979. p. 473)
Transformaciones durante el temple
Un enfriamiento rápido de la fase β producirá fases fuera de equilibrio, según dos
transformaciones sucesivas: primero, una transformación orden – desorden que se
produce en el rango de 500 a 560 y conduce en la fase β (composición Cu3Al); luego, una
transformación martensítica aparece a una temperatura más baja. La temperatura Ms,
que corresponde al inicio de esta transformación, varía muy cercanamente con la
composición. Además según el porcentaje de aluminio aumenta, encontramos
respectivamente las fases martensíticas β’, β y ϒ’ según las regiones bifásicas intermedias.
Kurdjumov, Kaminsky y Gawranek, han demostrado que las temperaturas de
transformaciones orden – desorden y de la aparición de la martensita varían según la
composición de las aleaciones.
Transformación Martensítica
Sus principales características son:
Transformación por cizallamiento, esencialmente atérmica y sin difusión. El producto
de transformación es obtenido desde la nariz por un movimiento coordinado de un gran
número de átomos, casi sin cambio de composición. Cada átomo que se desplaza una
fracción de distancia interatómica hacia su nueva posición, genera tensiones producidas
por el movimiento idéntico de átomos vecinos, solo las posiciones relativas son diferentes.
Por ello se le llama “transformación Militar”. Cuando la matriz es ordenada como el caso
de los cuproaluminios, el producto de la transformación es igualmente una fase ordenada.
La transformación que se efectúa en el enfriamiento, continúa entre las dos
temperaturas Ms y Mf. La transformación se inicia desde que la temperatura esta debajo
de Ms y se produce por la formación de nuevos cristales de martensita y no por
crecimiento de las primeras. Para los cuproaluminios la temperatura de transformación
La naturaleza cooperativa de la transformación martensítica implica que la interfase
entre la matriz y la fase martensítica sea coherente, para que todos los átomos puedan
realizar los mismos movimientos.
En el curso de una transformación martensítica, la variación de volumen endurece la
matriz. En el caso de los cuproaluminios, la transformación se realiza sobre las juntas de
granos β, los que quedan casi intactos.
Un más fuerte engrosamiento de los granos de fase β, llevará a un mayor espesor de
las plaquetas de martensita. La nucleación y crecimiento de las plaquetas de martensita
son controladas, además de las imperfecciones de red por los límites de grano (Vega y
Sánchez, 2009, p. 2006 - 2010).
1.3.6.Ensayo de desgaste
Es un efecto de la fricción. Implica la remoción gradual del material de una superficie.
Hay numerosos ejemplos de desgaste en los procesos de manufactura, la mayoría de los
cuales son indeseables: el desgaste de las herramientas en el maquinado de metales
(brocas), el desgaste de los dados en las diferentes operaciones de formado de metales, la
erosión de los moldes en fundición y el desgaste general de la maquinaria de producción.
Los mecanismos de desgaste dependen de las condiciones mecánicas y pueden clasificarse
como: 1) degaste adhesivo, 2) abrasión, 3) oxidación y otras reacciones químicas y 4)
Desgaste adhesivo, esta es una manifestación de la teoría de la adhesión en fricción.
Conforme las dos superficies de la figura 1.3 se deslizan una sobre otra y ocurre la unión
de las asperezas, el movimiento continuo de las superficies requiere el rompimiento de las
juntas enlazadas. Cada vez que se rompe un enlace se remueve una pequeña partícula
(partícula de desgaste) de una de las superficies. Que la partícula de desgaste prevenga de
una u otra superficie depende de las resistencias relativas involucradas. El material más
débil es la fuente de la mayoría de las partículas de desgaste, aunque la acción de
desgaste ocurre en ambas superficies.
Figura 1.3. Degaste adhesivo: (a) adhesión de asperezas; (b) rotura de las uniones por
adhesión para formar partículas de desgaste. Fuente: Groover M., 1997, p.
103.
Abrasión, es un desgaste causado por la acción de numerosas asperezas duras de una
superficie que choca sobre otra. Las asperezas puede resultar de la irregularidad y
rugosidad general de la superficie más dura, o porque el material tiene empotrado en él
partículas duras que sobresalen de la superficie. En cualquier caso, la acción abrasiva
de desgaste, resultando una progresiva pérdida de material. Este tipo de desgaste
produce marcas de rayado longitudinal en la dirección del movimiento relativo. (Groover,
1997, p. 103)
1.3.7.Ensayo de impacto
La resistencia al impacto en entalla o resiliencia es la capacidad del metal para resistir
a la carga por choque en presencia de una irregularidad superficial, como una entalla o
muesca que produce condiciones de tensión multiaxial. La situación generalmente se
examina en condiciones de tensión por tracción que existen en la parte de tracción de una
vida de flexión. Los datos obtenidos en el ensayo de tracción dan una idea de la ductilidad
de los materiales en condiciones estáticas, pero no de la tenacidad o fragilidad del
material, pues no hay una correspondencia definida entre los alargamientos y la
tenacidad. Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el
diagrama esfuerzo – deformación, la prueba de impacto indicará la tenacidad relativa. Los
ensayos de impacto miden la energía necesaria para romper una barra con muesca o
entalla patrón por una carga bajo impulso. Por lo tanto dan un indicio de la tenacidad en
presencia de entallas, de un material sometido a cargas de impacto (Mangonon, 2001, p.
170).
Estos ensayos no suministran mucha información cuantitativa, pero proporcionan
resultados cualitativos en las condiciones de ensayo más severos de impacto con sus
entalla. La severidad de estos ensayos se aproxima a la de la carga que es posible
encontrar en las estructuras de ingeniería en ciertas condiciones. El ensayo es útil como
herramienta de producción, ya que permite la comparación de materiales
manufacturados con otros que han demostrado dar un servicio satisfactorio. En nuestro
medio, los ensayos más usados son el Charpy y el Izod. La figura 1.4 muestra el impacto y
la geometría para el ensayo Charpy. En los ensayos de impacto se utiliza diversos tipos de
probetas. Para los ensayos Charpy todas las probetas son de sección cuadrada y de
dimensiones de 10x10x55 mm., con una entalla en V. La norma es ASTM E23-98
(Espécimen MVC). (Mangonon, 2001, p. 171.)
1.3.8.Ensayo de dureza
Es una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente (plástica).
La dureza de un metal se mide forzando la identación de un penetrador en la superficie
del metal. El penetrador, que normalmente es una bola, pirámide o cono, está fabricado
con un material mucho más duro que el material a ensayar. Así, el material empleado en
estos penetradores suele ser de acero templado, carburo de wolframio o diamante. En la
mayoría de los ensayos de dureza normalizados se aplica lentamente una carga conocida
que presiona el penetrador contra la superficie del metal a ensayar y perpendicularmente
a esta, figura 1.5(1). Después de producir la identación, se retira el penetrador, figura 1.
5(3), y se calcula o se lee en un dial un número empírico de dureza basado en el área de la
sección transversal de la huella producida en su profundidad.
Figura 1.5. Etapas para la medida de dureza con un penetrador cónico de diamante. La
profundidad t determina la dureza del material. A menor valor de t, mayor
dureza del material. Fuente: Smith W., 2004, p. 132.
En la tabla 2 se muestra el tipo de penetrador y los tipos de huellas producidas
asociados al ensayo de dureza Brinell. El número de dureza para cada uno de estos
la facilidad con que puede ser deformado plásticamente. Por tanto, se puede determinar
una relación experimental entre la dureza y la resistencia para cada metal en particular. El
ensayo de dureza puede ser no destructivo, es decir, la presencia de una pequeña huella
no imposibilita la utilización del objeto ensayado. Por estas razones, es habitual la
utilización del ensayo de dureza en el control de calidad de procesos industriales. (Smith,
2004, p. 131)
Tabla 1.1. Ensayo de dureza Brinell.
Forma del penetrador
Ensayo penetrador Vista lateral Vista en planta carga Formula del número de dureza
Brinell
Esfera de 10 mm fabricada de acero o carburo de volframio
P 𝑩𝑯𝑵 = 𝟐𝑷
𝝅𝑫(𝑫 − √𝑫𝟐− 𝒅𝟐)
Fuente: Smith W. 2004. p. 133
1.4.Problema
¿Cuál es el efecto del tiempo de temple en una aleación cuproaluminio: cobre - 10%
aluminio revenido a 400°C sobre la resistencia al desgaste, resistencia al impacto y
dureza?
1.5.Hipótesis
El incremento del tiempo de temple en el rango de 1 a 4 horas a 900°C y luego
revenido a 400°C en una aleación cuproaluminio cobre – 10% aluminio, disminuye la
resistencia al desgaste y dureza, pero aumenta la resistencia al impacto debido a que la
1.6.Objetivos
1.6.1.Objetivo general
Determinar el efecto del tiempo de temple en el rango de 1 a 4 horas a 900°C y luego
revenido 400°C por 1 hora en una aleación cuproaluminio cobre - 10% aluminio, colada en
molde de arena sobre la resistencia al desgaste, resistencia al impacto y dureza, utilizando
técnicas de identación y metalográficas.
1.6.2.Objetivo especifico
Determinar el tiempo de temple para la obtención de las mejores propiedades de
resistencia al desgaste, resistencia al impacto y dureza en la aleación cuproaluminio cobre
– 10% aluminio.
Relacionar el efecto del tiempo de temple en la aleación cuproaluminio cobre – 10%
CAPITULO II
MATERIALES Y METODOS
2.1. Material de estudio
El material utilizado en esta investigación es la aleación cuproaluminio cobre – 10%
aluminio. Para la obtención de la aleación cuproaluminio cobre – 10% aluminio colada en
molde de arena, se empleó los siguientes metales: cobre electrolítico (ASM C10100) y
aluminio químicamente puro.
a. Composición química de los elementos de la aleación en estudio.
Tabla 2.1. Composición química de los metales de la aleación en estudio.
Metal Composición química
Cobre ASM C10100 99.95% Cu 0.05% Otros
Aluminio comercialmente puro 99.99% Al 0.01 % Otros
Fuente: COPERCO. Lima – Perú.
b. Propiedades mecánicas y físicas de los elementos de la aleación en estudio.
Tabla 2.2. Propiedades mecánicas y físicas e los metales de la aleación en estudio
Elemento Punto de fusión (°C) Resistencia a la tracción (MPa) Resistencia a la fluencia
(MPa) Alargamiento (%) Dureza (HB) Densidad (g/cm3)
Cobre ASM
C10100 1085 235.0 69.0 43.0 45.0 8.96
Aluminio
puro 660 68.0 30.0 40.0 19.0 2.70
2.1.1. Muestra
Las muestras para la obtención de las probetas para el ensayo de desgaste se
obtuvieron de discos de diámetro exterior 40 mm, diámetro interior 16 mm y 15 mm de
espesor. Se fundieron en molde de arena. La geometría y medidas se muestran en la
figura 2.1.
Figura 2.1. Dimensiones del disco de aleación cuproaluminio: cobre – 10% aluminio para
la obtención de probetas para el ensayo de desgaste.
Y para la obtención de las probetas para el ensayo de impacto y dureza, las muestras
fueron barras cuadradas de 12 mm x 12 mm x 180 mm de longitud de aleación cobre –
10% aluminio, coladas en molde de arena, según figura 2.2.
Figura 2.2. Dimensiones de las barras cuadradas de aleación cuproaluminio: cobre – 10%
aluminio para la obtención de probetas para ensayo de impacto y dureza.
40
UM: mm
16
15
180 12
12
Probetas
Para el ensayo de desgaste
Las probetas para este ensayo (Adhesivo seco deslizante: contacto plano – cilindro),
se maquinaron de las piezas en forma de disco (figura 2.1), según la normas ASTM G77,
cuya geometría y medidas se muestran en las figuras 2.3.
10
Ø35
U.M . : mm
Ø20
Figura 2.3. Probeta para el ensayo de desgaste según norma ASTM G77.
Para el ensayo de impacto
Se aplicó el método Charpy. Las probetas se maquinaron de las barras cuadradas 12
mm x 12 mm x 180 mm de longitud (figura 2.2), según la norma ASTM E23-98. La
geometría y medidas se muestran en la figura 2.4.
Figura 2.4. Probeta para el ensayo de impacto (Charpy) según norma ASTM E23-98.
Las probetas para evaluar la dureza en la escala Brinell (HB), se maquinaron de las
barras cuadradas de 12 mm x 12 mm x 180 mm de longitud, según norma ASTM E-140,
cuya geometría y medidas se muestran en la figura 2.5. Las mismas servirán para el
análisis metalográfico.
Figura 2.5. Probeta para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140 y análisis
metalográfico.
2.1.2. Equipos, instrumentos, materiales consumibles y reactivos
a. Equipos
Cortadora de probetas METCO BAINCUT – M.
Torno MHSA de 1.0 m. de bancada (maquinado de probetas).
Horno eléctrico tipo mufla de 5.5 Kw: 0°C – 1200°C.
Microscopio Metalográfico Leica de 50X – 1000X.
Durómetro digital TIME GROUP TBHRV – 187.5.
Equipo de desgaste adhesivo seco. Escuela de Ingeniería Mecánica.
Máquina para el ensayo de impacto Charmpy: Heckert de 0 – 300 Joule.
Crisol de grafito de 10 puntos.
Cámara fotográfica digital CANON de 8 megapíxeles.
12
12 12
b. Instrumentos
Reloj digital Citizen.
Balanza analítica digital de 6 dígitos.
Termocupla tipo K.
Pirómetro digital Shimaden: 0 – 1200°C.
Vernier Mitutoyo 8 pulg.
c. Materiales consumibles y reactivos
Cobre electrolítico ASM C10100 (99.90%).
Aluminio comercialmente puro (99.99%).
Desgaser 90 y Coveral 190 para fundición del aluminio.
Desoxident 60, Cuprex 50 y Logas 50 para fundición del cobre.
Arena de moldeo (sílice – 7% bentonita – 5% agua).
Agua destilada y alcohol al 90°.
Algodón, franela y pana.
Resina epóxica: para encapsulado de probetas.
Alúmina (Al2O3): 1, 0.5, 0.3 µm.
Papel abrasivo: 100, 180, 220,320, 400, 600 y 1000.
2.2. Métodos y técnicas
2.2.1. Modelo experimental
Para la contrastación de la hipótesis, se utilizó el diseño de un solo factor con cuatro
niveles y tres réplicas:
a. Variables independientes.
Tiempo de temple (hrs): 1 – 2 – 3 – 4.
b. Variables dependientes.
Dureza: medido en la escala Brinell (HB).
Resistencia al desgaste: (mg)
Resistencia al impacto: (J).
c. Variables parametrizadas.
Temperatura de temple: 900°C.
Temperatura de revenido: 400°C.
Tiempo de revenido: 1 hora.
El número de probetas (P) es:
P = A x R
Dónde: P = N° de probetas; A = Niveles de la variable independiente A; R = número de
repeticiones.
Se consideró tres réplicas, entonces el número de probetas (P) fue:
Se utilizaron 12 probetas para el ensayo de desgaste, 12 probetas para el ensayo de
impacto y 12 probetas para el ensayo de dureza las mismas que sirvieron para el ensayo
metalográfico.
2.2.2. Matriz de datos
Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para el análisis de resultados.
Tiempo de temple
(hrs)
Observaciones
1 2 3
t1 t11 t12 t13
t2 t21 t22 t23
t3 t31 t32 t33
t4 t41 t42 t43
ti: Tiempo de temple (hrs): 1 – 2 – 3 – 4.
tij: Resistencia al impacto (J), Resistencia al desgaste (mg) y Dureza (HB).
Tabla 2.4. Matriz de orden de datos del experimento matricial de un solo factor para
determinar la resistencia al desgaste, resistencia al impacto y dureza.
Tiempo de temple
(hrs)
Réplicas
1 2 3
t1 2 12 6
t2 5 1 9
t3 4 3 11
2.3. Procedimiento experimental
La investigación se realizó de acuerdo el diagrama de bloques de la figura 2.6.
Figura 2.6. Diagrama de bloques del procedimiento experimental.
Resultados y conclusiones
Redacción del informe Ensayo de impacto
Charpy
Ensayo de desgaste Ensayo de dureza y análisis metalográfico Maquinado de probetas según
norma ASTM G77, ASTM E-23 y ASTM E-140
Temple de probetas a 900°C a los tiempos de
estudio
Revenido de probetas a 400°C
Colada de barras y discos y desmoldeo Preparación y fusión de
aleación Cu – 10% Al Cobre Aluminio
Moldeo de barras y discos en molde de arena Modelos
a. Fabricación de las muestras de estudio de aleación cobre – 10% aluminio
Fabricación de modelos de madera de barras cuadradas de 12 mm x 12 mm x 180 mm de
longitud y discos redondos de 40 mm de diámetro exterior, 16 mm de diámetro interior y
15 mm de espesor.
Preparación de la arena de moldeo: arena fina de sílice + 7% bentonita + 6% humedad
(agua).
Fabricación de los respectivos moldes de barras y discos en las cajas de moldeo de 30 cm
de largo x 20 cm de ancho y 10 cm de altura.
Fusión de aluminio a 720°C, se utilizó un crisol de acero inoxidable. En estado líquido se
agregó desgaser (removedor de gases) y polvo coveral 190 (polvo de cobertura).
Fusión de cobre a 1150°C en un crisol de grafito, en estado líquido se agregó cuprex
(desoxidante) y logas (desgasificador).
Seguidamente al crisol que contiene el cobre líquido (solvente) se le agrego el aluminio
líquido (soluto), con una barra de acero inoxidable se homogenizó la aleación líquida y se
removió la escoria.
Luego se colocó la aleación líquida en los respectivos moldes (colada).
Una vez frío se desmoldaron las piezas fundidas de aleación cobre – 10% aluminio, luego
se cortaron los canales y se eliminaron las rebabas.
b. Maquinado de probetas
Las probetas para el ensayo de impacto se maquinaron de las barras cuadradas según
según la norma ASTM G77, y para el ensayo de dureza se maquinaron según la norma
ASTM E-140 las mismas sirvieron para el análisis metalográfico.
c. Tratamiento térmico
Temple
o 03 probetas de cada ensayo se calentaron a 900°C por 1 hora y luego se templaron en
agua (25°C).
o 03 probetas de cada ensayo se calentaron a 900°C por 2 horas y luego se templaron en
agua (25°C).
o 03 probetas de cada ensayo se calentaron a 900°C por 3 horas y luego se templaron en
agua (25°C).
o 03 probetas de cada ensayo se calentaron a 900°C por 4 horas y luego se templaron en
agua (25°C).
Revenido
Todas las probetas templadas se revinieron a 400°C por espacio de 1 hora y luego se
enfriaron al aire.
d. Realización de ensayos
Ensayo de resistencia al desgaste
Se aplicó el método de desgaste deslizante (contacto plano – cilindro), según la
la probeta después del ensayo. El ensayo se realizó bajo las siguientes condiciones: 355
RPM con una carga de 9.1 kg por espacio de 30 minutos en el laboratorio de máquinas
herramientas de Ingeniería Mecánica.
Figura 2.7. Elementos para el ensayo de desgaste.
Ensayo de resistencia al impacto
Se utilizó la máquina de impacto Heckert con un péndulo de 19 kg. Se realizó según la
norma ASTM E23-98 y se midió la resistencia al impacto en Joule (J).
Ensayo de dureza
Se utilizó el durómetro digital universal TIME GROUP THBRVP 187.5 y se midió en la
escala Brinell (HB).
Ensayo metalográfico
Para este ensayo se utilizaron las mismas probetas del ensayo de dureza. Se siguió la
ataque químico (5 partes de hidróxido de amonio y 5 partes de peróxido de hidrógeno).
Para la toma de las fotomicrografías se utilizó el microscopio metalográfico Leica de 50 –
1000X y la cámara Canon de 8 MPx.
e. Evaluación de resultados
Los resultados se evaluaron estadísticamente según el análisis de varianza (ANOVA)
para analizar si la variable en estudio es significativa en el rango experimental, con un
CAPITULO III
RESULTADOS
Los resultados de los ensayos de dureza (HB), resistencia al impacto (J) y resistencia al
desgaste (mg), realizados en probetas de aleación cobre – 10% aluminio calentados a
900°C por tiempos de 1, 2, 3 y 4 horas con temple en agua y luego revenidos a 400°C por
1 hora, se detallan en tablas y figuras que a continuación se muestran:
3.1.Resultados del ensayo de dureza
Estos resultados se evaluaron utilizando el durómetro digital universal Time Group
THBRVP 187.5 en la escala Brinell. Se muestran en las tablas 3.1 y 3.2, y figuras 3.1 y 3.2.
Tabla 3.1. Resultados del ensayo de dureza (HB) en probetas de aleación cobre – 10%
aluminio calentados a 900°C a los diferentes tiempos de estudio y con temple
en agua.
Tiempo de temple
(hrs)
Dureza (HB)
D1 D2 D3 Promedio
1 282.20 278.40 286.40 282.20
2 268.20 270.30 256.20 264.90
3 262.10 256.80 249.10 256.00
4 262.20 256.20 254.20 257.50
Figura 3.1. Efecto del tiempo de temple sobre la dureza en probetas de aleación cobre –
10% aluminio, calentada a 900°C a los tiempos de estudio con temple en agua.
Tabla 3.2. Resultados del ensayo de dureza (HB) en probetas de aleación cobre – 10%
aluminio para los diferentes tiempos de temple a 900°C, templados en agua y
revenidos a 400°C por 1 hora.
Tiempo de temple
(hrs)
Dureza (HB)
D1 D2 D3 Promedio
1 340.20 336.80 333.50 336.80
2 318.20 324.80 322.60 321.90
3 314.20 318.80 299.20 310.70
4 298.10 308.10 302.40 302.90
250 255 260 265 270 275 280 285
0 1 2 3 4 5
Du
rez
a
(
HB
)
