Influencia del porcentaje de aluminio agregado y del espesor de pieza sobre la microestructura, dureza y resistencia a la tracción del latón base 85cu5zn5sn5pb, fundido y colado enmoldes de arena en verde

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(1)BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA. INFLUENCIA DEL PORCENTAJE DE ALUMINIO AGREGADO Y DEL ESPESOR DE PIEZA SOBRE LA MICROESTRUCTURA, DUREZA Y RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DEL LATÓN BASE 85Cu5Zn5Sn5Pb, FUNDIDO Y COLADO EN MOLDES DE ARENA EN VERDE. TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE. INGENIERO METALURGÍSTA. AUTORES. :. Br. CASTILLO CAMPOS, MARCO ANTONIO Br. MARTINEZ SAAVEDRA, WALTER ADLER. ASESOR. :. CO –ASESOR :. MSc. Ing. LUIS W. AGUILAR RODRÍGUEZ MsC FEDERICO BRAULIO BRICEÑO ROLDÁN. TRUJILLO - PERÚ 2019 I Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. JURADO CALIFICADOR. -------------------------------------------------------------------PRESIDENTE. ---------------------------------------------------------------MIEMBRO. ----------------------------------------------------------------MIEMBRO. II Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA Mi tesis la dedico con todo mi amor y cariño a mis amados padres, que han sido un pilar fundamental en mi formación como profesional, quienes con sus palabras de aliento no me dejaban decaer para seguir adelante y siempre sea perseverante y cumpla con mis ideales y mis sueños. A mi amada esposa Gina Katherine Pérez Velézmoro por su sacrificio y esfuerzo, por creer en mi capacidad, aunque hemos pasado momentos difíciles siempre has estado brindándome su comprensión, cariño y amor. A mí amado hijo Valentín Castillo Pérez por ser mi fuente de motivación e inspiración para poder superarme cada día más y así poder luchar para que la vida nos depare un futuro mejor. A mis hermanas queridas por el apoyo que siempre me brindaron día a día en el transcurso de cada año de mi carrera universitaria. Y a mí amado Dios por darme vida, salud y sabiduría para poder lograr todas mis metas.. AGRADECIMIENTO. Gracias a mi asesor Dr. Luis Aguilar Rodríguez, por su apoyo incondicional, paciencia, dedicación, motivación, criterio y aliento. Han hecho fácil lo difícil. A sido un privilegio poder contar con su guía y ayuda. Agradezco también a todos los ingenieros por sus conocimientos y enseñanzas brindadas para mi formación profesional.. MARCO ANTONIO CASTILLO CAMPOS. I Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA. La presente tesis la dedico a mis padres por su esfuerzo y sacrificio, por darme la oportunidad de estudiar una carrera y creer en mí, por siempre apoyarme en las buenas y malas, por su comprensión y sustento con su aliento diario y sus palabras que quizás agrias pero sinceras que solo un padre puede expresar y dejar marca sobre los hijos.. AGRADECIMIENTO. A DIOS por darme salud y fuerza de voluntad para crecer cada día, a mis padres por su constante apoyo tanto moral como económico, por su lucha diaria de esforzarse para formar personas de bien y siempre rescatando la humildad, respeto y valores para crear una mejor sociedad. Agradezco a mis familiares que de alguna manera aportaron su grano de arena para mi desarrollo profesional. Agradezco a los ingenieros que aportaron con sus conocimientos y experiencias.. WALTER MARTÍNEZ SAAVEDRA. II Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CONTENIDO. DEDICATORIAS................................................................................................................I CONTENIDO ....................................................................................................................III RESUMEN .......................................................................................................................VI ABSTRACT ......................................................................................................................VII. CAPITULO I. INTRODUCCIÓN 1.1. Realidad problemática ................................................................................................1 1.2. Antecedentes................................................................................................................2 1.3. Fundamento teórico ....................................................................................................5 1.3.1. Latones ...................................................................................................................5 1.3.2. Diagrama Cu – Zn ...................................................................................................5 1.3.3. Efecto del contenido de zinc y de otros elementos de aleación ..............................7 1.3.3.1. El zinc equivalente..................................................................................................8 1.3.4. Latones más comunes .............................................................................................9 1.3.5. Porosidad debido a gases en las aleaciones de cobre ..............................................13 1.3.5.1. Mecanísmos de entrada de gas en los moldes .......................................................13 1.3.6. El zinc como desoxidante ........................................................................................15 1.3.7. Microestructura........................................................................................................16 1.3.8. Solidificación ..........................................................................................................17 1.3.9. Tiempo de solidificación: regla de Chvorinov ......................................................26 1.3.10. Tamaño de grano de las piezas fundidas ................................................................26 1.3.11. Segregación .............................................................................................................27 1.3.12. Homogenización .....................................................................................................27 1.3.13. Propiedades mecánicas: El ensayo de dureza ..........................................................27. 33 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.4. Enunciado del problema ..............................................................................................29 1.5. Hipótesis .....................................................................................................................29 1.6. Objetivos......................................................................................................................29. CAPITULO II. MATERIAL Y MÉTODOS 2.1. Materiales de estudio ...................................................................................................30 2.1.1. Material de estudio ..................................................................................................30 2.1.2. Probetas .....................................................................................................................30 2.1.3. Arenas de molde utilizada .........................................................................................32 2.2. Métodos y técnicas .......................................................................................................32 2.2.1. Modelo experimental ................................................................................................32 2.3. Procedimiento experimental ........................................................................................34. CAPITULO III. RESULTADOS 3.1.Resultados de la Influencia del espesor de pieza y del porcentaje de aluminio agregado sobre la dureza superficial del latón base 85Cu5Zn5Sn5Pb, fundido y colado en molde de arena en verde. ............................................................................................................... 43 3.2. Resultados del Análisis de Varianza para el Modelo de Efectos fijos de Clasificación en dos sentidos utilizando un programa de computación .......................................................45 3.3. Resultados de la influencia del espesor de pieza y del porcentaje de aluminio agregado sobre la microestructura del latón amarillo alfa fundido y colado en molde de arena en verde. .......................................................................................................................................46. 44 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CAPITULO IV DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS 4.1. Discusión de los resultados de la influencia del espesor y del aluminio agregado sobre la dureza de los latones base 85Cu5Zn5Sn5Pb, fundido y colado en moldes de arena en verde. .......................................................................................................................53. 4.2. Discusión acerca de la influencia del espesor y del porcentaje de aluminio agregado sobre la microestructura del latón de base inicial 85Cu5Zn5Sn5Pb. ..........................61 4.3. Discusión de resultados del ensayo de tracción ..........................................................64. CAPITULO V 5.1. CONCLUSIONES .......................................................................................................65 5.2 RECOMENDACIONES .............................................................................................66. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................68 APÉNDICE .........................................................................................................................71 ANEXOS .............................................................................................................................87. 55 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. RESUMEN. Se ha estudiado la influencia del porcentaje de aluminio agregado y del espesor de pieza sobre la microestructura y dureza del latón base 85Cu5Zn5Sn5Pb, fundido y colado moldes de arena en verde. Se consideró diseño bifactorial con 5 niveles para cada factor (0,0; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5% Al y 4; 7; 9; 13 y 15 mm de espesor ) y 3 réplicas del experimento con probetas circulares de 50 mm de diámetro y de espesor variable según diseño: 75 corridas experimentales en total. A la aleación base se elaboró primero introduciendo al cobre la aleación Sn-Pb-Zn a 1140°C agitando enérgicamente en ausencia de aire utilizando cobertura de grafito y silice. Para cada probeta se agregó el aluminio y se agitó a 1000°C, la colada fué a 950°C ± 10°C en los moldes de arena dispuestos aleatoriamente según diseño. A Cada probeta se le midió la dureza Brinell y analizó metalográficamente. Los datos fueron tratados con el análisis de varianza y de residuos para el modelo de efectos fijos en dos sentidos, cuyos resultados indican la fuerte influencia del aluminio agregado, leve influencia del espesor y poco significativa influencia de la interacción de ambas variables sobre la dureza superficial. El incremento de dureza debido únicamente a la reducción de espesor desde 15mm a 4mm, para las aleaciones con 0,0; 1,5; 2,5; 3,5 y 4,5% Al agregado fué de 17,91%; 8,51%; 17,85%; 11,19%; % y 6,5%, respectivamente. El incremento de dureza debido únicamente al aluminio agregado desde 0,0% hasta 4,5% para las probetas de 4; 7; 9; 13 y 15mm fué de 171,96%; 173,14%; 178,03%;199,30 y 201,09%, respectivamente. El incremento total de dureza, debido a la interacción de ambas variables fué de 0%; 3,78%; 2,42%; 1,81%% y 1,67%. La menor dureza fue de 59,80HB ( para 15mm de espesor y 0,0% Al) y la mayor dureza lograda fue de 191,76HB (para 4mm de espesor y 4,5% Al). Los resultados de ensayo de tracción indicaron una disminución de la resistencia a la tracción, limite de fluencia y ductilidad, mientras que se incrementó la rigidez del material, lo que concuerda con el incremento de dureza. Las microestructuras evidencian concordancia con los datos de dureza observados.. Palabras clave: Influencia, aluminio, espesor, interacción, dureza, microestructura, latón, fundido, colado, molde, arena, decincado, oxidación, temperatura, atmósfera.. 66 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ABSTRACT The influence of the percentage of aggregate aluminum and the thickness of the piece on the microstructure and hardness of the base brass 85Cu5Zn5Sn5Pb, cast and cast sand molds in green has been studied. Bifactorial design was considered with 5 levels for each factor (0.0; 1.5; 2.5; 3.5; 4.5% Al and 4; 7; 9; 13 and 15 mm thick) and 3 replicates of the experiment with circular specimens of 50 mm diameter and variable thickness according to design : 75 experimental runs in total. The base alloy was first made by introducing the Sn-Pb-Zn alloy to copper at 1140 ° C while stirring vigorously in the absence of air using graphite and silica coverage. For each test tube, aluminum was added and stirred at 1000 ° C, the casting was at 950 ° C ± 10 ° C in the sand molds arranged randomly according to designEach Brinell hardness was measured and analyzed metallographically. The data were treated with the analysis of variance and residuals for the two-way fixed effects model, whose results indicate the strong influence of aggregate aluminum, slight influence of thickness and little significant influence of the interaction of both variables on surface hardness The increase in hardness due only to the reduction in thickness from 15mm to 4mm, for alloys with 0.0; 1.5; 2.5; 3.5 and 4.5% The aggregate was 17.91%; 8.51%; 17.85%; 11.19%; % and 6.5%, respectively. The increase in hardness due only to the added aluminum from 0.0% to 4.5% for the 4 specimens; 7; 9; 13 and 15mm was 171.96%; 173.14%; 178.03%; 199.30 and 201.09%, respectively. The total increase in hardness, due to the interaction of both variables was 0%; 3.78%; 2.42%; 1.81 %% and 1.67 %. The lowest hardness was 59.80HB (for 15mm thick and 0.0% Al) and the highest hardness was 191.76HB (for 4mm thick and 4.5% Al). The tensile test results indicated a decrease in tensile strength, creep limit and ductility, while the rigidity of the material was increased, which is consistent with the increase in hardness. The microstructures show agreement with the observed hardness data.. Keywords: Influence, Aluminum, Thickness, Interaction, Hardness, Microstructure, Brass, Melted, Casted, Mold, Sand, Dezincification, Oxidation, Temperature, Atmosphere.. VII Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1.1. Realidad problemática En la industria de la fundición, se ha experimentado un gran avance en la optimización de procesos, creación y mejoramiento de aleaciones, reducción de costos, etc. sin embargo, este avance no es uniforme a nivel de empresas locales puesto que existen algunas con proceso de producción empírico y otras más acordes con la ciencia y la tecnología creando nuevas alternativas de mayor calidad de producto (Aguilar - Odar, 1996, p. 54). La demanda de aleaciones no ferrosas tiene una notable influencia en la economía, mostrando un rápido crecimiento atribuido únicamente a la combinación de sus propiedades como la dureza, ductilidad, resistencia a la tracción, etc. aquí es importante el reemplazo de unas aleaciones por otras que tengan las mismas condiciones de resistencia mecánica en servicio pero a menor costo (Aguilar - Odar, 1996, p.54). En el Perú el uso de latones ordinarios fundidos en reemplazo del bronce tiene un relativo éxito. Sin embargo, la limitación únicamente a fundir chatarra y colar en moldes, sin ningún criterio técnico y sin considerar el tipo de servicio al que serán sometidas las piezas fundidas ni la composición química de la aleación utilizada, traen como consecuencia problemas en cuanto a sus propiedades mecánicas en especial en la dureza al no cumplir con los requerimientos exigidos en servicio para algunas aplicaciones tales como por ejemplo en ciertos accesorios de bombas de água destinados a irrigación de terrenos agrícolas con presencia de sólidos en el agua que acortan la vida en servicio de las piezas de latón por desgaste y corrosión. Un de los latones más utilizados por su bajo costo es el latón plomado 85Cu5Zn5Sn5Pb pero de las mayores dificultades, como se mencionó, es la limitada utilidad en cuanto su utilización para accesorios que deberán ser sometidos a rigurosas condiciones de desgaste abrasivo por partículas sólidas (uso en bombas de agua para riego en la agricultura) y de otras aplicaciones parecidas en las cuales deben ser resistentes también a la corrosión marina y de otros medios acuosos corrosivos. El particular interés se debe al bajo costo de este tipo de latón el cual es muy utilizado en grifería, empalmes de tuberías, engranes pequeños y válvulas de baja presión. Es posible mejorar estas propiedades mecánicas , según lo visto en la literatura especializada a fin de reemplazar a otros latones que son demasiado costosos. 1 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Entre los elementos de aleación que reúnen las mejores performances para incrementar la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión está el aluminio, conjuntamente con los elementos aleantes que ya están incluídos en el latón base que se desea mejorar y que es motivo de la investigación. El aluminio al ingresar como soluto en el solvente (latón) distorsiona la red, manifestándose un endurecimiento (resistencia a la identación) que mejora las condiciones de servicio frente al desgaste producido por sólidos presentes en aguas de irrigación. Esta propiedad también ésta influenciada por el espesor de las piezas fundidas al modificarse las estructuras de colada convenientemente (Herenguel,1976). El latón fundido alfa en general son aleaciones cuya resistencia al desgaste por abrasión en servicio es posible aumentando su dureza mediante la adición de elementos en pequeñas cantidades, tales como el aluminio e incrementando la velocidad de enfriamiento, que depende de las dimensiones de la pieza fundida (Suckov, 1989). En el Perú no existen técnicas definidas para la obtención de latones adecuados para estas aplicaciones, utilizándose erróneamente aleaciones que originan los problemas antes mencionados. El uso del latón fundido plomado es necesario debido a su menor costo y buenas propiedades mecánicas que pueden ser mejoradas. 1.2. Antecedentes Se ha logrado determinar que al fabricar latones el zinc aumenta poco la resistencia a la tracción del cobre y un poco más en el estado de recocido. Por ser le precio de zinc notablemente inferior al del cobre, se pueden obtener con la fase alfa una gama de aleaciones que se prestan a la deformaciones en frío tan bien como el cobre (hasta a veces un poco mejor) y proporciona económicamente objetos dotados de una resistencia mecánica y resistencia al corrosión generalmente satisfactorio (Herenguel,1976). Al elaborar latones ordinarios, para darles propiedades determinadas se introducen distintos elementos en pequeñas cantidades como: Pb para mejorar la maquinabilidad; Sn para elevar la resistencia a la corrosión en agua de mar; Al y Ni para elevar las propiedades mecánicas. La dureza del latón 76Cu–22Zn–2Al resulta optima para ser utilizada en agua de mar y aguas de circulación rápida(Guliaev, 1978, p.265 ) corroborado por Avner(1998, p.464).. 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Según Herenguel(1976) y Callister(1995), resultados de investigaciones muestran la influencia de las adiciones de otros elementos sobre la resistencia mecánica del cobre, así como también de la influencia del tamaño de grano sobre la resistencia de latones. Esto indica que la microestructura está estrechamente relacionada con las propiedades de los materiales Backofen et. al (1964) al investigar el efecto del aluminio y del cobre en aleaciones de base zinc logró determinar que el eutectoide Zn-22Al + trazas de Cu poseía características similares a algunos bronces cuyas aplicaciones eran destinadas a servicios que requerían de alta resistencia al desgaste a baja carga a pesar que la aleación poseía una elevada plasticidad. Hirata; et al (2007) estudiaron varias aleaciones de Zn con alto contenido de aluminio y menores cantidades de cobre modificados y no modificados con la inclusión de otros elementos, logrando resultados de enorme interés en cuanto al mejoramiento de las propiedades mecánicas iniciales. Troiani, (1998), citado por De Micco et al.(2007) en sus trabajos de caracterización de las aleaciones Cu-Zn-Al en cuanto a la estabilidad térmica de las fases y la decincación confirmaron que a temperaturas altas, por encima de los 700°C aproximadamente y dependiendo de la velocidad de calentamiento, tiene lugar el proceso de decincación en esta aleación; dicho proceso habia sido observado previamente en aleaciones CuZn por Troiani a partir de temperaturas de 450°C. A temperaturas menores se encontraron cambios en la estructura de la aleación, para temperaturas inferiores a 525°C se observó la precipitación de las fases alfa y gama y la desaparición de la fase beta. Además, durante los distintos tratamientos térmicos se observan cambios en la textura del material, relacionados con sus propiedades mecánicas finales. Bayley, et al (1968) señala que si el enfriamiento del latón fundido, por colada continua, ocurre desde el líquido (L) pasando por la zona (L + α) hasta temperatura del ambiente dará lugar a una fase de matriz dendrítica α + una zona interdendrítica β, en tanto que si el enfriamiento parte del liquido pasando por la zona (L + β) ( contenidos mayores tales como el 44% de Zinc equivalente) dará lugar a una estructura β´ con precipitado de fase α en forma de ferrita widmanstätten iniciándose en los borde de grano de la fase β primaria, lo cual influye en sus propiedades mecánicas finales. 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura 1.1. Microestructura de la aleación con 37% Zn equiv. Dendritas de fase α con zona interdendrítica de fase β y diagrama de fase Cu-Zn.. (a) (b) Figura 1.2. (a) Microestrucura de latón fundido de coldada continua y laminado, con 37% de Zinc equivalente, presenta dendritas α y zona interdendrítica de fase β´ (b) Microestructura de latón con un máximo de 44% de zinc equivalente, muestra la estructura Widmanstätten, esto es ferrita widmastatten que se inicia en los bordes de granos β. Aquí no se notan los bordes de grano por ser una zona de granos equiaxiales. Los aumentos fueron de 100X. Pedraza (2005), preparó aleaciones de CuZnAlB con contenidos de 20% Zn; 5,2% Al y 0,04% B y otra de aleación de 16,9%Zn; 7,71%Al y 0,04%B que se trataron térmicamente para obtener austenita sin lograrlo por completo, concluyendo que el procedimiento de fundición es delicado y expuesto a variables difíciles de controlar tales como la atmósfera y la temperatura de trabajo. Pero luego encontró efecto memoria para las probetas de la primera aleación fabricada, después de ser laminada en caliente, trefilada y tratada térmicamente a 850°C por 30 minutos y templada en agua a temperatura del ambiente. Gibson (2008) al fabricar aleaciones de memoria CuZnAl concluye que durante el proceso de calentamiento del latón el zinc sufre pérdidas a elevadas temperaturas ya que el zinc oxidado se evapora, por lo que fue necesario coberturas con gran cantidad de arena durante el. 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. calentamiento y fusión de la aleación, además de agregar un adicional de alrededor de 3,4% con respecto del peso de zinc ya presente en el metal, como material adicional para compensar las pérdidas, con resultados bastante consistentes. Aparte, las pérdidas de Cu, Al y Zinc en primera fusión es de alrededor del 10% para todos los componentes de la aleación. La temperatura máxima a la cual se calentó el latón fue de 1100°C en todos los casos. A decir del tamaño de grano fino, se ha demostrado que es logrado por una mayor velocidad de solidificación y enfriamiento, un grano fino se manifiesta con un incremento de la rsistencia mecánica, interaccionando al mismo tiempo con la composición química de la aleación. Por último, los cuproaluminios con contenidos máximos de hasta el 5% de aluminio son prácticamente insencible a la corrosión bajo tensiones, inclusive con acritud (Herenguel, 1976). Considerando los antecedentes expuestos es posible desarrollar latones alfa de alta resistencia al desgaste mediante el proceso de fundición y colada en moldes de arena en verde, por ello se determinará la influencia del espesor y del porcentaje de aluminio agregado para el mejoramiento de la resistencia a la tracción, dureza y por consiguiente su resitencia mayor al desgaste por abrasión en piezas de latón fundido Cu5Zn5Sn5Pb colados en moldes de arena en verde y que podrán ser utilizados, entre otras aplicaciones, en accesorios sometidos a aguas corrientes cargadas de sólidos.. 1.3. Fundamento teórico 1.3.1. Latones Los latones son aleaciones de cobre y zinc llamados “ordinarios” y “especiales”, si se les ha introducido pequeñas cantidades de otros elementos como Al, Pb, Sn, etc. para darles propiedades determinadas. En la práctica se utilizan aleaciones que contienen hasta el 45% de Zinc. 1.3.2. Diagrama Cu – Zn. Está compuesto por cinco diagramas peritécticos simples (figura 1.3.). En estado sólidos pueden formarse seis fases simples: Fase α, es una solución sólida de Zinc en cobre; la solubilidad del Zn en Cu a temperatura ambiental es 39% y no varía prácticamente hasta los 454ºC, disminuye hasta 32% a 902ºC. La solución de α es f.c.c. 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Fase β, es a base del compuesto CuZn con enlace tipo electrónico (Nº electrones/Nº átomos = 3/2); tiene red bcc . Aquí la distribución ordenada de los átomos de Cu en las esquinas y Zn en el centro, luego del enfriamiento, se conserva máximo hasta temperaturas de 454ºC - 468ºC y se le designa como estructura β’, para temperaturas más altas los átomos de Zn se distribuyen al azar en los puntos la red constituyendo la fase desordenada ó “β” ó bcc con los átomos de zinc en las esquinas de las celdas en sustitución del cobre, colocados aleatoriamente (desordenada). La reacción de ordenamiento es tan rápida que no puede retardarse o evitarse por templados. En la fase β el Nº de átomos de Cu es casi igual al número de átomos de Zn colocados al azar en sustitución de los átomos de Cu. Fase γ, basada en el compuesto Cu5Zn8 del tipo electrónico (21/13) de red cúbica compleja. La temperatura de ordenación de esta fase es 270ºC, con 52 átomos por cada celda unitaria. Fase δ , compuesto químico base aun no establecido, su estructura cúbica es compleja. Fase ε, basada en el compuesto CuZn3 del tipo electrónico (7/4) con red hexagonal compacta, Fase η, es una solución sólida de cobre en zinc, estructura hcp.. Figura 1.3. Diagrama de estado CuZn.. Figura 1.4. Características mecánicas de las aleaciones Cu-Zn. Fuente: GULIAEV, A. 1978. Metalurgia. Tomo 2. Traducido por Antonio Molina García. Edit. MIR. Moscú, Rusia. P.262. Fuente: GULIAEV, A. 1978. Metalurgia. Tomo 2. Traducido por Antonio Molina García. Edit. MIR. Moscú, Rusia. P.264. 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.3. Efecto del contenido de Zn y de otros elementos de aleación En la mayoría de los casos, la adición de elementos de solución sólida tiende a disminuir la ductilidad conforme aumenta la resistencia. El zinc incrementa la ductilidad junto con la resistencia. La mejor combinación de resistencia y ductilidad se obtiene en un latón 70Cu – 30Zn (Avner, 1990, p. 461). Pero cuando se pasa el límite de la región monofásica (39% Zn) la plasticidad desciende bruscamente; el latón “β” posee la resistencia máxima (σB = 42 kgf/mm²) al mismo tiempo que una plasticidad relativamente baja para los latones(sólo del 7%); el latón “γ” es muy frágil. A estas circunstancias de poca plasticidad se debe que no solo los latones “γ” y “γ+β”, sino también los “β” carezcan de aplicación práctica (Guliaev, 1978, p. 263 Tomo II). En la práctica se utilizan entonces latones “α” y latones “α + β”. El cobre puro tiene una dureza variable de 38HB a 40HB (esto, para 0% de zinc) dependiendo de si es fundida, trefilada, laminada, etc. El 25% de zinc incrementa la dureza a aproximadamente 54HB, El 30% de zinc eleva la dureza a 55HB, aproximadamente y el 40% de zinc la incrementa a 75HB aproximadamente, sin considerar endurecimientos por tamaño de grano, tratamientos térmicos, enfriamientos rápidos, etc. Los otros elementos de adición modifican las propiedades mecánicas y físicas de los latones favorablemente para diversas aplicaciones. A decir del efecto del aluminio en los latones, según Herenguel (1976, P. 90, Tomo II), aumenta la resistencia mecánica de la solución a al mismo tiempo que la resistencia a la abrasión en aguas de circulación rápida que contienen impurezas sólidas (la dureza de la película de óxido resulta incrementada por la presencia de Al2O3). La solubilidad del aluminio en el cobre puro es a temperatura del ambiente de aproximadamente 9,50%; para mayor cantidad de aluminio aparecerá también el eutectoide γ, aquí si el enfriamiento es rápido se forma la martensita. Adiciones de Fe, estabiliza el tamaño de grano pequeño de recristalización. Adiciones de Ni, afina el grano en latones especiales. Adiciones de P + Mg, atenúan la descohesión intergranular en caliente de los latones α.. 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Adiciones de P, del 0,02 al 0,08 disminuye la tendencia a la corrosión bajo tensiones, amplía el rango de trabajo en caliente sin fragilidad excesiva. Adiciones de Mg, aumenta la resistencia de las juntas de los granos. Adiciones de Si, es desoxidante junto con el Mg. Adiciones de Sn, se usa en el latón naval. 1.3.3.1.. El Zinc equivalente.- Para que sirva de orientación, la clase estructural del latón. puede cambiar por efecto de los elementos de aleación ya que estos cambian los límites de las regiones de fase. En particular, la adición de todos los elementos equivale a un aumento del contenido de zinc. En otras palabras, por la presencia de terceros elementos la fase aparece con menor contenido de zinc. Para valorar la influencia de cada elemento, L Guillet, estableció coeficientes de equivalencia (Si=10; Al=5; Sn y Mg =2; Cd, Pb y Fe = 1; Mn = 0,5; Ni= 1,5). Por ejemplo, si el latón además de poseer 38% de Zinc, también tiene el 2% de Sn, es decir en primera aproximación puede considerarse como latón con 42% de zinc, éste no será latón α, sinó que será latón α + β.. Figura 1.5. Diagrama de estado Cu-Al Fuente: GULIAEV, A. 1978. Metalurgia. Tomo 2. Traducido por Antonio Molina García. Edit. MIR. Moscú, Rusia. P. 271. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. (b). (a). Figura 1.6. Microestructura típica de bronce al aluminio con 10,5 % Al x100. Es hipoeutectoide (a) Enfriado lentamente presenta fase α (claros) y eutectoide α + γ (fase oscura) (b) Enfriado rápidamente en agua desde 900°C, presenta estructura martensitica. Fuente: GULIAEV, A. 1978. Metalurgia. Tomo 2. Traducido por Antonio Molina García. Edit. MIR. Moscú, Rusia. P. 273. 1.3.4. Latones más comunes Latones ordinarios alfa.- Contienen menos del 36%, poseen relativa resistencia a la corrosión y muy buena plasticidad. El color varía del amarillo al rojo con el contenido de cobre. Son adecuados para el trabajo en frío y sus propiedades varían favorablemente con la adición de elementos de aleación. Sin embargo, los latones amarillos a también están sujetos a corrosión por formación de cavidades en la superficie llamada dezincificación. Este tipo de corrosión suele ocurrir cuando el latón está en contacto con el agua de mar o con aguas dulces que poseen alto contenido de O2 y CO2 (Avner, 1990, p. 463). Los latones alfa pueden ser “rojos” si poseen como máximo 20% de zinc, los latones alfa son amarillos si poseen entre el 20% al 36% de zinc. Latones ordinarios alfa mas beta.- Los latones “α + β” son más difíciles de trabajar en frío que los “β”. Constan de dos fases “α” y “β’, “β’ es más dura y frágil que a a temperatura ambiental sin embargo a altas temperaturas “β” es muy plástica. Latones especiales.- Al agregar elementos tales como As; Mn; Fe; Ni, etc. en pequeñas proporciones se obtiene un mejoramiento de las propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión.. 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Algunas aleaciones especiales son: El metal almiralty (71 Cu-28Zn – 1 Sn) Bronce Comercial (90Cu-10Zn), el latón alumínico (76Cu22Zn2Al), el latón naval (60Cu39,25Zn0,75Sn), etc.. Figura 1.7. Microestructura característica de un latón amarillo alfa Fuente: GULIAEV, A. 1978. Metalurgia. Tomo 2. Traducido por Antonio Molina García. Edit. MIR. Moscú, Rusia. P.264. Figura 1.8. Microestructura característica de un latón alfa + beta Fuente: GULIAEV, A. 1978. Metalurgia. Tomo 2. Traducido por Antonio Molina García. Edit. MIR. Moscú, Rusia. P.264. Latones fundidos. Según Guliaev ( 1978, p. 264), las microestruturas observadas líneas arriba corresponden a latones forjados y laminados, luego de obtenidos por colada continua. En cuanto a las cualidades para fundición de latones, éstos vienen determinados por la posición mutua de las líneas de líquidus y sólidus. Como las líneas de sólidus y líquidus están muy próximas una de la otra en la cristalización de las fases α y β, las cualidades de fundición de latones se caracterizan por ser poco propensos a la licuación, tener buena fluidez y tender a formar un rechupe concentrado.. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Las características de su microestructura presenta generalmente formas dendríticas cuya intensidad depende de los elementos de aleación y de la velocidad de solidificación.. Latones fundidos con estaño (Cu-Zn-Sn, con trazas Pb). -. Alta resistencia a corrosión y mayor resistencia mecánica que latón Cu-Zn.. -. 2-40% Zn; 0.2-3% Sn. -. El Sn reduce la tendencia al descincado de los latones.. -. La microestructura es similar a aleación Cu-Zn (la fase depende del porcentaje de los metales aleantes). -. En aleaciones fundidas con Zn y Sn (ambos en bajo porcentaje) aparecen en las dentritas de menor (en el centro) a mayor (en los bordes).. Latones fundidos con plomo . -. El plomo aumenta la maquinabilidad provee una microestructura no porosa y disminuye la resistencia mecánica.. -. Produce una viruta fraccionada y lubrica en el proceso de maquinado las herramientas de corte.. -. Microestructura es muy similar a las aleaciones Cu-Zn; el Pb aparece como pequeñas partículas oscuras en los límites de grano.. Para otros latones con contenidos de pb, según el contenido de Pb, éste se distribuye en los limites de grano y en los espacios interdendríticos de la aleación.. El latón plomado rojo 85Cu5Zn5Sn%Pb. Es un latón fundido muy utilizado en piezas fundidas en general, que requieren propiedades de regular resistencia, pocos defectos internos y buena maquinabilidad tales como válvulas para bajas presiones, accesorios para tuberías, engranes pequeños y piezas fundidas para bombas pequeñas. La figura 1.9.(b) muestra la estructura de un latón plomado rojo en condición de fundido continuo; consta de dendritas α segregadas, debidas a la relativamente gran rapidez de enfriamiento y pequeñas partículas de plomo distribuidas uniformemente (manchas negras) (Avner, 1980).. 11 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura 1.9. (a) Microestructura característica de un latón fundido con zinc equivalente 37% y de colada continua tratada térmicamente. Aumento a 100X. Presenta dendritas α con constituyente interdendrítico β (zonas oscuras).. (a ). (b) Latón plomado rojo en condición de fundido continuo. Dendritas α segregadas con partículas de plomo uniformemente distribuídas (puntos negros)Atacado químicamente con NH4OH + H2O2. Aumento a 200X. (c) Latón con trazas de plomo 60% de Cu, 39% de Zn y alrededor de 1% de Pb con se puede observar partículas de Pb en límites de grano. 500 ×. Fuente: Atlas de microestruturas American Society for Metals 1990. (b). (c ). 12 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.5. Porosidad debida a gases en las aleaciones de cobre “La porosidad de gas” es un defecto común en las piezas fundidas y se deriva de la retención de los gases desarrollados por los moldes; gases procedentes del metal en solidificación debido a las reacciones entre el metal fundido y escoria apisonada. Esto puede suceder durante el período de fusión del metal, durante el vertido o después del vertido. Los gases elementales que normalmente preocupan a los fundidores son el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2). El gas puede disolverse en el metal, como ocurre con el hidrógeno que se disuelve en casi todos los metales industriales, o puede suceder que el gas no se disuelva; el hecho de que algunos gases no se disuelvan en un metal se aprovecha para extraer de éste los gases que pueda tener disueltos. Esta es una técnica de desgasificado.. 1.3.5.1. Mecanismos de entrada de gas en los moldes. El gas que normalmente plantea problemas en la fundición de metales es el hidrógeno molecular presente en la atmósfera del horno. Este no puede entrar directamente en el metal, ya esté en estado sólido o líquido sino que lo hace según los siguientes pasos: Disociación AdsorciónDifusiónDisolución A. Disociación.. A las temperaturas consideradas, el hidrógeno molecular (H2) se disocia según el equilibrio:. H2(gasmolecula)r  2H(gas  atómico) Esta reacción se da en la superficie del metal, donde se fijan los átomos de hidrógeno por una adsorción activada. Si se trata de un compuesto gaseoso hidrogenado, corrientemente vapor de agua, ocurre la disociación de sus átomos constituyentes; así tenemos:. Cu  2H2O(vapor) Cu 2H2(gas)  O2(gas) Cu  H2(gas) Cu 2H(enelmetal) 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. El grado de disociación de las moléculas de hidrógeno aumenta al aumentar la temperatura y disminuir la presión.. B. Adsorción. Es el fenómeno por el cual se forma una capa fina de gas en la superficie de los metales. Dependiendo fundamentalmente de las temperaturas de trabajo, se pueden considerar dos tipos de adsorción:. - Adsorción física o molecular.- Por la que se fijan las moléculas de hidrógeno sobre el metal con una fuerza de naturaleza física (enlace de Van der Waals); ocurriendo a bajas temperaturas y la cantidad de gas adsorbido depende principalmente del estado de la superficie del metal y en menor proporción de las propiedades del gas.. - Adsorción químico activada.- Por la que se fijan los átomos de las moléculas gas sobre el metal. Las fuerzas de asociación a la superficie son de naturaleza química (no muy conocidas) similares a las fuerzas de atracción debida a las valencias. La disociación de la molécula es pues, el paso previo a la adsorción química. C. Difusión. Los gases adsorbidos en forma atómica por el metal son ahora capaces de “viajar” por el interior de éste. Existe una tendencia de los átomos del gas a igualar a la presión parcial del gas dentro del metal a la presión parcial de gas en el medio que lo rodea. Por esta razón cuando el metal está exento de gas, la presión de éste en el interior del metal es nula y los átomos comienzan a introducirse en la masa metálica hasta que la presión gaseosa alcanza el valor de la presión del gas en el exterior. A este proceso, por el que viajan los átomos de gas dentro del metal, se llama “difusión”.. D. Disolución. El gas que en forma atómica “viaja” por el interior de la masa metálica puede quedarse alojado en su interior, entre los átomos del metal que constituye el cristal. El gas que queda de esta manera alojado en el metal sólido se dice que está disuelto formando “solución sólida intersticial”. En la figura 1.10. se presenta esquemáticamente como están colocados átomos 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. de hidrógeno disueltos en un cristal de cobre; el cobre sería en este caso el disolvente y el hidrógeno el soluto. El equilibrio se alcanzará para un número determinado de átomos de hidrógeno disueltos en el cobre, diciéndose que la solución está saturada.. Atomo de hidrogeno. Atomo de cobre. Figura 1.10. Representación esquemática de dos átomos de hidrógeno disuelto en el cobre. 1.3.6. El Zinc como Desoxidante. Las aleaciones Cobre-Zinc, tienen un contenido de oxígeno muy bajo, y la ebullición del Zinc tiende a bajar el contenido de Hidrógeno. Estos materiales están por lo tanto; relativamente libres de la formación de agua, ya que el hidrógeno es el principal agresor, debido al efecto desoxidante del Zinc. La variación de la energía libre de Gibbs (Gº) para una reacción de oxidación es una medida de la afinidad química del metal por el oxígeno y cuanto más negativa es la energía libre a cualquier temperatura el óxido es más estable. Reacción química del proceso de oxidación: CuO + Zn = Cu + ZnO ..... (1). 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. El proceso es espontáneo, tiende a la derecha como consecuencia de la energía libre de reacción a la temperatura de trabajo (1170ºC) es negativa, estabilizándose más el óxido a medida que la temperatura desciende. El óxido de Zinc se produce mediante la siguiente reacción:. Zn + ½O2 = ZnO ..... (2) El proceso tiende a la derecha a medida que la temperatura desciende desde 1170ºC a 25ºC. Según Rosario(1978), otras reacciones a considerar en la fusión del Cobre y sus aleaciones son: 2Cu + ½O2 = Cu2O ..... (3). Obteniendo a la temperatura de trabajo el óxido cuproso, el cual reacciona con el Hidrógeno atómico disuelto en el “baño metálico”, como:. Cu2O + H2 = 2Cu + H2O ...........(4). Proceso que origina el vapor de agua aún a la temperatura ambiente debido al valor negativo de la energía libre de reacción. En la práctica la fusión se realiza mediante el proceso de oxidación-reducción, para asegurar una colada limpia, de gran fluidez y exenta de gases. Pero de acuerdo a Foseco (1994) sugería emplear con fundente oxidante el CUPREX logrando que la carga se funda en condiciones tales de oxidación, evitando la adsorción del Hidrógeno, efecto realizado como:. Cu2O + ½O2 = 2Cu...........(5). 1.3.7. Microestructura La microestructura, que es la estructura del metal o aleación, da una idea sobre la distribución mutua de las fases su forma y dimensiones. Esto se explica por el hecho de que entre la microestructura del metal o aleación y muchas de sus propiedades hay una dependencia cualitativa directa.. 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Para efectuar el microanálisis del metal a investigar se prepara una pequeña probeta, uno de cuyos planos se rectifica minuciosamente y se somete a un ataque químico con reactivos especiales. Así, por ejemplo, para revelar la estructura del latón, como reactivo se emplean soluciónes ácidas acuosa de cloruro férrico (FeCl3 =10g, HCl=20ml, H2O=80ml), también puede ser Dicromato de Potasio (Cr2O7K2=100ml, H2SO4=10ml, HCl=1 gota) ó en su defecto el hidróxido de amonio + peróxido de hidrógeno + agua destilada en iguales proporciones. Bajo la acción del reactivo se produce una disolución selectiva de las fases metálicas u otras, como así mismo de sus zonas límites a causa de la diferencia que existe en las propiedades físicoquímicas. Como efecto de esto se forma un relieve, que al ser observado al microscopio, las zonas que se disolvieron más efectivamente aparecen más oscuras por las sombras o por su menor coeficiente de reflexión (debido a la superficie rugosa), y las que no se disolvieron, más claras.. 1.3.8.. Solidificación de aleaciones. La solidificación supone: Nucleación y Crecimiento. La nucleación homogénea rara vez ocurre, en lugar de ello, las impurezas que están en contacto con el líquido, suspendidas en él o en las paredes del molde proporcionan una superficie en donde se puede nuclear el sólido, es decir, con muy poca superficie total entre el sólido y el líquido se obtiene un radio mayor que el crítico. Por consiguiente, se necesita menor sobreenfriamiento para lograr el tamaño crítico; a esto se conoce como nucleación heterogénea. Todos los metales y aleaciones de uso ingenieril se nuclean heterogéneamente, esto ocurre porque la mayoría de los “metales” no son en realidad puros, son aleaciones.. Reed-Hill (1986, pp. 441- 443) relaciona las fuerzas de superficie paralelas a las paredes del molde según la ecuación.. 1m = 5m + 1s cos.  Donde:. 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1m : Tensión Superificial entre el líquido y el molde. 5m : Tensión Superificial entre el sólido y el molde. 1s. : Tensión Superificial entre el líquido y el sólido.. ϴ. : Angulo de contacto de la superficie del embrión con la pared del molde. Liquid Pptdo sólido. R (1-cosΦ). . r sen θ Molde. cos . ls. . sm.  ls cos. lm. Figura 1.11. Fuerzas de superficie asociadas con el embrión de casquete esférico.. Es obvio que la energía libre de nucleación heterogénea depende directamente de estas energías de superficie como lo indica la siguiente ecuación: Het. G. Hom.  G. .  2  3 cos   cos 3    . 4. ; .  . Donde:  GHet :. Energía libre asociada con el embrión nucleado heterogéneamente..  GHom : Energía libre de un embrión esférico de radio igual al radio del casquete de la partícula nucleada heterogéneamente.. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Además esta ecuación es válida para todo “r” (radio del embrión o del núcleo), entonces cuando r = rc tendremos: Het.  .  Ge. Hom.   Ge. .  2  3 cos   cos 3    . 4. ; . Donde: .  GHet :. Energía libre asociada con el embrión nucleado de radio crítico nucleado heterogéneamente..  GHom : Energía libre de un embrión esférico de radio crítico igual al radio del casquete de la partícula nucleada heterogéneamente.. Una vez formados los núcleos, según Askeland (1987, pp.154–157) el crecimiento ocurre cuando los átomos se asocian a la superficie del núcleo sólido. Esto depende de la extracción del calor del sistema sólido – líquido. Se debe liberar dos tipos de calor. El calor específico del líquido y el calor latente de fusión. El calor específico debe eliminarse primero por conducción hacia el molde, hasta que el líquido se enfría a la temperatura de solidificación. El calor latente de fusión debe eliminarse de la interfase sólido – líquido hacia los alrededores sólidos, entonces la interfase se mueve gradualmente hacia el líquido con un crecimiento planar. Sin embargo, cuando la nucleación no es grande, el líquido puede sobreenfriarse a una temperatura inferior a la de solidificación. En estas condiciones una pequeña protuberancia sólida llamada dendrita se forma en la interfase, conforme crece, el calor latente de fusión es conducido hacia el líquido sobreenfriado, elevando su temperatura a la de solidificación. El crecimiento dendrítico continua hasta que el líquido sobreenfriado se calienta hasta la temperatura de solidificación. Cualquier líquido remanente solidifica por crecimiento planar. Estos mecanismos se muestran en las figuras 1.12. y 1.13.. 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Dirección de crecimiento Dirección de crecimiento Dendrita Hf. protuberancia Hf sólido. Tº real. Tº real. Liquido. sólido. Liquido. Tº Temperatura de solidificación. Temperatura de solidificación Liquido subenfriado Distancia desde la interficie sólido- liquido. Distancia desde la interficie sólido- liquido. (a). Figura 1.12.. T. (b). (a) Crecimiento planar. (b) Crecimiento dendrítico.. = Rapidéz de enfriamiento. t Estabilidad térmica Tº. Sobrecalentamiento Tº. Tiempo de solidificación local. Subenfriamiento Recalescencia. Tiempo de solidificación total. Tiempo. (a). Tiempo. (b). Figura 1.13. Curvas de enfriamiento (a) Líquidos que nuclean sin subenfriamiento (b) Líquidos que requieren subenfriamiento para la nucleación.. Como resultado del proceso de solidificación, la fundición desarrolla una macroestructura que puede constar hasta de tres partes. La zona fría, compuesta por el metal que está en la pared del molde y que solidifica rápidamente a una temperatura menor o igual a la temperatura de solidificación; donde la pared hace que la nucleación sea heterogénea. La zona columnar, compuesta de granos alargados que se originan al crecer los granos de la zona fría en dirección opuesta al flujo de calor. Los granos pueden estar compuestos de muchas dendritas si el líquido está subenfriado o puede proceder la solidificación por crecimiento planar de los granos 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. columnares si no ha ocurrido sub enfriamiento. La zona equiaxial, que está formado por granos nuevos orientados aleatoriamente, originados por una baja temperatura de vaciado, elemento de aleación ó agentes inoculantes o refinadores de grano.. Cuando los metales son solubles parcialmente en estado sólido, debe formarse una solución sólida. En este tipo de aleaciones los cristales de A ó B puro nunca solidifican como tales.. 1.3.8.1. Solidificación de aleaciones de una sola fase Observando la figura 1.14. (a), se observa que el sólido inicialmente formado desde una aleación líquida de composición Co es de composición C1, el liquido remanente entonces es ligeramente enriquecido con soluto “B”. El sólido inicial es deficiente en contener el soluto “B”, el cual es rechazado en la interfaz l-s que avanza. Conforme el sólido va creciendo su composición química evoluciona hasta que al final la composición promedio será igual a la composición inicial del líquido antes de éste inicie la solidificación. Esta condición se grafica en la figura 1.14.(b).. Fracción sólida (b). (a). Figura 1.14. (a) Diagrama de equilibrio térmico para una aleación binaria de una sola fase y (b) Distribución de equilibrio del soluto entre dos fases en etapas sucesivas de enfriamiento unidireccional: Co = composición media antes y después del enfriamiento y solidificación, Cs y Cl = composición del sólido y del liquido en sucesivas etapas del progreso de solidificación. 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Lo visto anteriormente se refiere a condiciones de equilibrio, ahora la variación composicional mostrada en la figura 1.15.(a) corresponde al la variación de la temperatura de enfriamiento de equilibrio mostrada en la figura 1.15.(b) donde cada composición de la curva de distribución del soluto es característica y acorde con la evolución de la curva de temperatura de enfriamiento en equilibrio.. (a). (c) Figura Figura 1.15. (a) Concentración de soluto2.8. en líquido conforme al avance de interface en condiciones de no equilibro: Distribución de soluto C L; (b) Temperatura de equilibrio del liquido TE correspondiente al contenido de soluto a una distancia D desde la interface de solidificación y (c) Relación del gradiente de temperatura en liquido enfriando. Pero bajo condiciones dinámicas de evolución de la temperatura de enfriamiento prevalece la “no condición de equilibrio”. Si observamos la fig. 1.13.(b) notamos que la curva de equilibrio idealizada en extremo coincide con la T°f , y la temperatura de subenfriamiento está marcado por la curva de temperatura real de la aleación. Aparece entonces un subenfriamiento del líquido frente a la interfaz l-s (existe un gradiente entre la T° real del liquido y la temperatura de enfriamiento de equilibrio) pero es una curva de enfriamineto de equilibrio recta y no dinámica, puesto que la aleación al evolucionar en su C.Q. también evolucionará dinámicamente su. 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. temperatura de enfriamiento de equilibrio la cual designaremos a partir de ahora como TE y podremos utilizar el grafico de la figura 1.15.(a) en vez del de la figura 1.13. Ahora, dependiendo de la intensidad del graiente térmico entre la temperatura de la aleación y la temperatura de enfriamiento en equilibrio dinámico, la solidificación podrá ser de estructura a) planar; b) celular; c) dendrítico y d) dendrítico + nucleos independientes. El gráfico de la figura 1.16.(a). y la figuras 1.16.(b) ilustra estas condiciones para poder ser explicadas.. (b). (a). Figura 1.16. (a) Influencia del gradiente de temperatura sobre la cristalización. TE = temperatura de enfriamiento en equilibrio, TN = Temperatura de nucleación, dependiente de la naturaleza de nucleación heterogénea, T1 ; T2 y T3 = Gradientes de temperatura produciendo incremento de subenfriamiento y asociado con los cambios en morfología planar-celular-dendrítica y nucleación independiente (b) morfología planar-celular-dendrítica y nucleación 1.3.8.2. Enfriamiento y solidificación eutéctica Muchas fundiciones al solidificar contiene apreciables cantidades de constituyente eutéctico. Las condiciones de cristalización eutéctica está representado por diagrama de equilibrio binario de la figura 1.17.(A) y (B) donde la composición E cristaliza en dos fases α y β a la temperatura eutéctica TE . Es crecimiento dendrítico de granos en solución sólida, cada grano eutéctico es formado por el crecimiento simultáneo de dos o más fases separadas en asociación cerrada. Resultado una estructura laminada de dos fases o de elementos globulares, donde una de las fases es matriz de la otra. El crecimiento laminar inicia con la nucleación de una de la s fases. La concentración de soluto en el líquido se incrementa hasta que la nucleación de la otra fase 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ocurre en la interfaz l-s de la primera fase, luego el crecimiento continua en una relación alterna entre las dos fases. Las estructuras tienden a menudo a ser de granos equiaxiales, análogos al caso de una fase simple. Las estructura eutécticas pueden ser planares o celulares.. (B). (A). Figura 1.17. (A) Diagrama térmico de equilibrio para dos metales formando un eutéctico (B) Vistas de estructuras celulares de una aleación eutéctica.. 1.3.8.3. Reacciones peritécticas Se puede representar en la figura 1.20. en este caso el equilibrio de enfriamiento de las aleaciones de composiciones entre X y P, envuelve la precipitación primaria de sólidos de solución α y ellos luego reaccionan con el liquido residual al temperatura T p para formar un segundo sólido de solución β y de composición Y. Para composiciones aleadas a la derecha. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. del punto Y de fase α de composición X, reacciona con una proporción del liquido de composición P para formar β y enfriando desde el remanente liquido es completado a bajas temperaturas mediante precipitación adicional β. En aleaciones a la izquierda del punto Y mucho del líquido es consumido en reacción con parte de α. La estructura final consta de dos fases solidas.. Figura 1.18. Sección del diagrama térmico de equilibrio acerca de una reacción peritéctica. La morfología de la solidificación puede ser “exógena”, osea si la cristalización empieza en la pared del molde y luego progresa hacia el interior del caldo y “endógena” si la cristalización se inicia en el interior de la aleación líquida. Estas formas de solidificación influyen en las características del fundido donde la velocidad de solidificación puede dar lugar a variaciones o modificaciones de estas tendencias en la morfología de solidificación.. Una aleación que normalmente solidifican en forma pastosa tiene tendencia a un tipo endógeno de aspecto de caparazón si es que se le enfría a gran velocidad, por ejemplo cuando se cuelan dentro de coquillas (Verlag, Tomo I, p. 384). En la Figura 1.19. se muestran los principales tipos de solidificación:. 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura 1.19. Representación esquemática de los principales tipos de solidificación, cada uno en dos instantes consecutivos (según Patterson y Engler). Tipo de solidificación exógena: a) Solidificación de paredes lisas; b) Solidificación de paredes rugosas; c) Solidificación en forma esponjosa; Tipos de solidificación endógena: d) Solidificación pastosa e) Solidificación formadora de capas. Fuente: VERLAG, DÜSSELDORF, .2009. Manual de Aluminio. Primera edición tomo I,. Ed. Reverté,S.A. Traducido por Pedro Coca. Barcelona.España. 1.3.9. Tiempo de Solidificación y Regla de CHVORINOV. Askeland (1987, p. 157 y 159) indica que la rapidez a la cual crece el sólido depende de la velocidad o rapidez de enfriamiento o de extracción de calor. Una velocidad de enfriamiento o de extracción de calor. Una velocidad de enfriamiento alta produce una rápida solidificación o tiempos cortos de solidificación. Al respecto Flinn (1978, pp.24-26) sostiene que el tiempo de solidificación es proporcional a (Volumen/Area)2 de la pieza. Chvorinov experimentó esta relación para una amplia variedad de formas y pesos de pieza y encontró una buena concordancia. El tiempo de solidificación puede calcularse utilizando lo que ahora se denomina regla de Chvorinov: t=B(V/A)2; donde: B, es el volumen de la fundición; A, es el área de la superficie fundida que está en contacto con el molde y B es la constante del molde, que depende de la densidad del metal, de la difusividad térmica del molde, del calor latente de fusión del metal, del calor específico del metal líquido, temperatura de colada, temperatura de solidificación (temperatura de interfase) y la conductividad térmica del molde.. 1.3.10. Tamaño de grano de piezas fundidas. Hay dos medios básicos para incrementar el número de granos de una pieza fundida; uno implica el aumento de velocidad de nucleación básica, mientras que el otro depende de romper 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. las dendritas según crecen para formar las semillas adicionales. El enfriamiento rápido tiende a incrementar la velocidad de nucleación (Reed Hill, 1986. p. 525). 1.3.11. Segregación. Usualmente existe una segregación de los elementos del soluto en la fundición terminada. No solo encontramos variación de composición (macrosegregación) sobre distancias grandes sino también a escala más pequeña, por ejemplo entre los brazos de las dendritas. 1.3.12. Homogenización. La segregación del soluto debido a segregación dendrítica puede ser eliminada mediante un recocido de homogenízación.. 1.3.13. Propiedades Mecánicas-Ensayo de Dureza. Dureza es la capacidad de los metales de resistir a la penetración en ellos de una sustancia más dura. La medición de la dureza, debido a la rapidez y sencillez del ensayo y a la posibilidad de juzgar sobre las propiedades de la pieza sin necesidad de su destrucción, ha obtenido amplia aplicación para el control de calidad del metal y de las piezas metálicas.. Determinación de la Dureza Brinell. Este método se aplica para determinar la dureza de piezas no templadas (piezas laminadas, forjadas, moldeadas, matrices, accesorios y otras piezas). El número de dureza Brinell HB se puede determinar por la fórmula:. 2P. HB . Donde “D” es el diámetro de la bolita de acero en milímetros, “P” es la carga aplicada y “d” es el diámetro de la huella en milímetros. Prácticamente para la determinación de la dureza se mide el diámetro “d” de la muesca, y por éste se halla el número de dureza en tablas especiales. Las propiedades mecánicas y físicas de los metales y aleaciones coladas pueden depender en gran medida del proceso de solidificación. 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.