Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles
VICTORIA ALEJANDRA ESPEJO SAAVEDRA
VALDIVIA - CHILE
2011
“OBTENCION DE ALEACIONES TERNARIAS EN
BASE COBRE USANDO ALEADO MECANICO PARA
SU USO EN FACHADAS Y TECHUMBRES”
Profesor Patrocinante:
Sr. Claudio Aguilar Ramírez.
Ingeniero Civil en Metalurgia.
Doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Tesis para optar al título de:
Ingeniero Civil en Obras Civiles
Mis más sinceros y afectuosos agradecimientos a mis padres
Arturo y Patricia, que gracias a su amor y apoyo
incondicional he alcanzado este logro en mi vida, ya que sin
ellos no sería nada. Esta tesis se las dedico a ustedes.
A mi hermanita Antonia, por su amor y alegría en esos días
difíciles. Además por ser mi motivación en el término de mis
metas, para así poder entregarle todo lo que necesite.
A mi novio y amigo Miguel, por creer siempre en mí. Por
entregarme estabilidad, amor y seguridad. Además que
nuestros proyectos han sido una motivación fundamental para
el termino de este proceso.
A mi profesor Patrocinante Claudio Aguilar, por ser una
excelente persona, entregándome apoyo y preocupación en
este desafío.
A esos pocos familiares, que de alguna u otra forma me han
tendido la mano, sobretodo mi abuelito Tomás que me cuidan
desde el cielo, que aunque no esté presente se que se siente
orgullo de mí.
A mis queridas amigas, que siempre han estado conmigo, en
las buenas y en las malas, entregándome su cariño sin
pedirme nada a cambio.
INDICE TEMATICO
Pág.
CAPITULO I: INTRODUCCION Y OBJETIVO 1
1.1.- INTRODUCCION 1
1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2
1.3.- OBJETIVOS 2
1.3.1.- Objetivos General 2
1.3.2.- Objetivos Específicos 2
1.4.- HIPOTESIS 3
CAPITULO II: ASPECTOS TEORICOS 4
2.1.- Inicios del AM 4 2.2.- Definición de AM 4 2.3.- Ventajas y desventajas de AM 4 2.4.- Materiales nanocristalinos 5 2.5.- Materias primas 6 2.6.- Mecanismo de Aleación 6
2.7.- Molinos usados para realizar AM 7
2.7.1.- Molino SPEX 8
2.7.2.- Molino planetario 9
2.7.3.- Molino atritor 10
2.8.- Variables que afectan el proceso de AM 12 2.9.- Aplicaciones en fachadas y techumbres 14 2.9.1.- Materiales en base a cobre utilizados actualmente como fachada 14 2.9.2.- Materiales en base a cobre utilizados actualmente como techumbre 29
CAPITULO III: DESARROLLO EXTERIMENTAL 31
3.1.- Características de los materiales y equipos 31
3.2.- Procedimiento experimental 32
3.3.- Técnicas para análisis de muestras 34 3.3.1.- Espectroscopia de absorción atómica 34
3.3.2.- Microscopía electrónica de barrido 34
3.3.3.- Metalografía 34
3.3.4.- Análisis de dureza Brinell 38
3.3.5.- Difracción de rayos x 38
CAPITULO IV: RESULTADOS, CALCULOS Y DISCUSION 55
4.1.- Espectroscopia de absorción atómica 55 4.2.- Microscopía electrónica de barrido (MEB) 58
4.3.- Metalografía 64
4.4.- Análisis de dureza Brinell 69
4.5.- Difracción de rayos X 75
4.5.1.- Metodología de Williamson-Hall Clásica (WHC) 75
• Tamaño cristalitas (D) 82
• Microdeformación (<ε2>1/2) 84 4.5.2.- Metodología de Warren-Averbach Clásica (WHC) 86
• Tamaño cristalitas (L) 94
• Microdeformación (<ε250>1/2) 95
4.5.3.- Densidad de dislocaciones (ρ) 96
4.5.5.- Energía de falla de apilamiento (EFA) 98
4.5.5.- Parámetro de red (a) 100
4.5.6.- Probabilidad de falla de apilamiento (α) 102 4.6.- Calorimetría diferencial de barrido (DSC) 104
CAPITULO V: CONCLUSIONES 105
INDICE DE FIGURAS
Pág. Figura 1: Arreglo esquemático de átomos en un material nanocristalino 6 Figura 2: Proceso de molienda al interior del molino atritor 7
Figura 3: Molino Spex 8
Figura 4: Contenedores de acero inoxidable 9
Figura 5: Molino planetario 10
Figura 6: Movimiento de los contenedores dentro del molino planetario 10
Figura 7: Molino atritor 11
Figura 8: Puerto de Barcelona con fachada TECU Classic 15 Figura 9: Hotel Dornbirn con fachada TECU Patina 16 Figura 10: Cine de Paris con fachada TECU Oxid 17 Figura 11: Oficina de la Fifa en Zürich con fachada TECU Zinn 17
Figura 12: Almere fachada TECU Brass 18
Figura 13: Trescore fachada TECU Bronce 19
Figura 14: Pabellón Münster fachada TECU Gold 19 Figura 15: Edificio con sistema de fachada TECU Net 20 Figura 16: Edificio con sistema de fachada TECU Bond 21 Figura 17: Edificio con sistema de fachada TECU Paneles 22 Figura 18: Edificio con sistema de fachada TECU cassetes 22 Figura 19: Bodega Casona Micaela, Villa Verde de Trucio, Fachada 23
TECU Classic
Figura 20: Edificio Tecma, Alzira. Fachada de cobre preoxidado, TECU Oxid 24 Figura 21: Hotel Oasis Plaza, España. Fachada de cobre prepatinado, 25
TECU Patina
Figura 22: Esquema junta alzada horizontal sobre fachada ventilada 25 y junta alzada vertical sobre fachada ventilada
Figura 23: Esquema junta plana sobre fachada ventilada 26
Figura 24: Esquema panel de fachada 27
Figura 25: Casa en Algarrobo con fachada creada con LEC 28 Figura 26: Revestimiento de fachada metálica de cobre de cassetes 28
Figura 27: Techumbre del Santuario San Nicolás de Argentina, fabricada 29 por Nielol
Figura 28: Techumbre tradicional Luvata 30
Figura 29: Techumbre de cobre prefabricada (doble junta alzada) 30
Figura 30: Teja de cobre tipo colonial 30
Figura 31: Durómetro Time Group Inc, modelo TH170 36 Figura 32: Esquema de funcionamiento y montaje de un difractómetro 37 Figura 33: Esquema sobre ensanchamiento de máximo de intensidad 38
de difracción proveniente de diferentes fuentes
Figura 34: Difracción de Rayos X 39
Figura 35: (a) Representación gráfica de la ley de Bragg y (b) Red 40 recíproca que satisface la ley de Bragg
Figura 36: Solución grafica ecuación 3.11 para una muestra Cu-1% en 42 peso de Cr molida 30 minutos
Figura 37: Esquema tamaño columna que se obtiene por el método de WA 45 Figura 38: (a) tamaño de dominios coherentes de difracción y (b) Re y 47
ρ por medio de la ecuación 3.20
Figura 39: Esquema del desplazamiento de los perfiles de difracción en 50 un material con presencia de defectos de apilamiento en el plano
{111}
Figura 40: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 53 Cu-5Cr-5Mo en función de las horas de molienda
Figura 41: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 54 Cu-10Cr-10Mo en función de las horas de molienda
Figura 42: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 54 Cu-15Cr-15Mo en función de las horas de molienda
Figura 43: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 55 Cu-5Cr-5Mo en función de las horas de molienda y la
temperatura
Figura 44: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 56 Cu-15Cr-15Mo función de las horas de molienda y la
temperatura
Figura 45: Análisis EDX de la de la aleación Cu-5Cr-5Mo a 50 horas 57 de molienda
Figura 48: Evolución tamaño de partículas en función del tiempo de 59 molienda de la aleación Cu-5Cr-5Mo
Figura 49: Imágenes obtenidas por MEB que muestran la evolución 61 del tamaño de partículas en aleaciones expuestas a temperatura,
en este caso la aleación Cu-15Cr-15Mo, molidas a 32 horas
Figura 50: Imágenes obtenidas por MEB que muestran la evolución 62 del tamaño de partículas en aleaciones expuestas a temperatura,
en este caso la aleación Cu-15Cr-15Mo, molidas a 100 horas
Figura 51: Imágenes obtenidas por microscopio metalográfico. 63 (a) Cu puro, (b) Cr puro y (c) Mo puro
Figura 52: Tamaño de granos del cobre, cromo y molibdeno, puros 63 sin moler
Figura 53: : Aleación Cu-5Cr-5Mo molidas a diferentes horas. 64 (a) 32 horas, (b) 50 horas, (c) 75 horas y (d) 100 horas
Figura 54: Tamaño de granos de la aleación Cu-5Cr-5Mo a diferentes 65 horas de molienda
Figura 55: Aleación de Cu-5Cr-5Mo molidas a diferentes horas y 66 expuestas a diferentes temperaturas. (a) 32 h-300ºC,
(b) 32 h-600ºC, (c) 100 h-300ºC y (d) 100 h-600ºC
Figura 56: Tamaño de granos de la aleación Cu-5Cr-5Mo a diferentes 67 temperaturas y horas de molienda
Figura 57: Dureza Brinell de la aleación Cu-10Cr-10Mo a variadas 67 horas de molienda
Figura 58: Dureza Brinell de la aleación Cu-10Cr-10Mo y Cu-5Cr-5Mo 68 a 75horas de molienda
Figura 59: Efecto del trabajo en frío en las propiedades mecánicas 73 del cobre
Figura 60: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-5Cr-5Mo 74 a difentes horas de molienda
Figura 61: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-10Cr-10Mo 75 a diferentes horas de molienda
Figura 62: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-15Cr-15Mo 76 a diferentes horas de molienda
Figura 63: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-5Cr-5Mo 78 a diferentes horas de molienda y temperatura
Figura 64: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-15Cr-15Mo 79 a diferentes horas de molienda
Figura 65: Evolución del tamaño de cristalita en función del tiempo 81 de molienda (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y
Figura 66: Evolución del tamaño de cristalita en función del tiempo y 81 temperatura (a) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 300ºC y
(b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC
Figura 67: Evolución de la microdeformación. (a) Cu-5Cr-5Mo, 83 (b) Cu-10Cr-10Mo y (c) Cu-15Cr-15Mo
Figura 68: : Evolución del tamaño de la microdeformación en función 83 del tiempo y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo
a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC
Figura 69: Coeficiente ASL y <ε2>1/2 para cobre puro sin moler 84 Figura 70: Coeficiente ASL y <ε2>1/2 para la aleación Cu-5Cr-5Mo a 86
diferentes horas de molienda Figura 71: Coeficiente AS
L y <ε2>1/2 para la aleación Cu-10Cr-10Mo a 87 diferentes horas de molienda
Figura 72: Coeficiente AS
L y <ε2>1/2 para la aleación Cu-15Cr-15Mo a 88 diferentes horas de molienda
Figura 73: Coeficiente AS
L y <ε2>1/2 para la aleación Cu-5Cr-5Mo a 90 diferentes horas de molienda y temperatura
Figura 74: Coeficiente AS
L y <ε2>1/2 para la aleación Cu-15Cr-15Mo a 91 diferentes horas de molienda y temperatura
Figura 75: Tamaño de cristalitas promedio obtenidos por medio de la 93 metodología de Warren-Averbach. (a) Cu-5Cr-5Mo,
(b) Cu-5Cr-5Mo a 300ºC y (c) Cu-5Cr-5Mo a 600ºC
Figura 76: Valores de < ε250>1/2 en función del tiempo de molienda. 94 (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-5Cr-5Mo a 300ºC y
(c) Cu-5Cr-5Mo a 600ºC
Figura 77: Evolución de densidad de dislocaciones en función del 95 tiempo de molienda. (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y
(c) Cu-15Cr-15Mo
Figura 78: Evolución de densidad de dislocaciones en función del 96 tiempo de molienda tiempo y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo y
Cu-15Cr-15Mo a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC
Figura 79: Energía de falla de apilamiento en función del tiempo de 97 molienda. (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y
(c) Cu-15Cr-15Mo
Figura 80: Energía de falla de apilamiento en función del tiempo de 98 molienda tiempo y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo y
Figura 82: Variación del parámetro de red en función del tiempo de 100 molienda y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo y
Cu-15Cr-15Mo a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC
Figura 83: Evolución de probabilidad de falla de apilamiento en función 101 del tiempo de molienda. (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y
(c) Cu-15Cr-15Mo
Figura 84: Evolución de probabilidad de falla de apilamiento en función 102 del tiempo de molienda y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo y
Cu-15Cr-15Mo a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC
Figura 85: Peaks exotérmicos debido a descomposición de aleación 102 sobresaturada Cu-10Cr-10Mo
INDICE DE ECUACIONES
Pág.
Ecuación 3.1: Ley de Bragg 38
Ecuación 3.2: Expresión vectorial de Ley de Bragg 39 Ecuación 3.3: Contribución al ensanchamiento debido al tamaño de 41
cristalita
Ecuación 3.4: Ensanchamiento de los peaks de difracción 41 Ecuación 3.5: Suma de las ecuaciones 3.4 y 3.5 42 Ecuación 3.6: Expresión para el ajuste de Gauss 42 Ecuación 3.7: Expresión para el ajuste de Cauchy 42
Ecuación 3.8: Microdeformación promedio 43
Ecuación 3.9: Transformada de Fourier de los perfiles de difracción 43 respectivos
Ecuación 3.10a: Coeficientes de Fourier 43
Ecuación 3.10b: Coeficientes de Fourier 43
Ecuación 3.11: Coeficientes de Fourier relacionado con el tamaño de 44 cristalita y la microdeformación
Ecuación 3.12: Coeficientes de Fourier relacionado con el tamaño de 44 cristalita y la microdeformación
Ecuación 3.13: Aplicación de logaritmo a la ecuación 3.12 44 Ecuación 3.14: La ecuación 3.13 escrita en función de los índices de 44
reflexión
Ecuación 3.15: Modificación de la ecuación 3.14 45 Ecuación 3.16: Densidad de dislocación formal 45
Ecuación 3.17: Factor de contraste 45
Ecuación 3.18: Reemplazo de las ecuaciones 3.16 y 3.17 en la 46 ecuación 3.15
Ecuación 3.19: Ecuación de Warren-Averbach modificada 46 Ecuación 3.20: Determinación de los valores ρ y Re 46
Ecuación 3.24: Densidad de dislocaciones 49 Ecuación 3.25: Constante que para el cobre se ha estimado en 40 49
Ecuación 3.26: Expresión resumida que relaciona el desplazamiento 50 de los perfiles de difracción con α
Ecuación 3.27: Expresión resumida que relaciona el desplazamiento 50 de los perfiles de difracción con α
Ecuación 3.28: Resta de las ecuaciones 3.26 y 3.27 50 Ecuación 3.29: Energía de falla de apilamiento 51 Ecuación 3.30: Energía de falla de apilamiento para deformación 51
anisotrópica
INDICE DE TABLAS
Pág. Tabla 1: Comparación entre molinos de alta energía 11 Tabla 2: Valores U(g) para sistemas fcc 48 Tabla 3: Dureza brinell para diferentes revestimientos 69 Tabla 4: Grados de dureza brinell versus resistencia a la tracción 70 Tabla 5: Influencia de los diferentes defectos cristalinos en los 77
materiales sobre la forma y posición de los perfiles de difracción
RESUMEN
En Chile existen las minas más productivas de cobre en el mundo, por ello, se debe realizar más investigación y desarrollo para buscar nuevas aplicaciones. El objetivo general del presente trabajo fue, estudiar la fabricación de aleaciones Cu-Cr-Mo, para mejorar las propiedades mecánicas del cobre, orientadas al ámbito de la construcción. A través de métodos convencionales, no es posible mejorar sustancialmente las propiedades de los materiales, por ello, se utilizan procesos de no equilibrio para producir materiales avanzados. Los procesos de no-equilibrio más tradicionales son; aleado mecánico, depositación de vapor, implantaciones de iones entre otros. El aleado mecánico (AM) es un proceso muy versátil y sencillo de realizar. A través del proceso señalado es posible aumentar la solubilidad sólida, evitar segregaciones, producir materiales nanocristalinos. Por ello, se eligió el AM para producir aleaciones ternarias base Cu con elementos con entalpía de mezcla positiva como Cr y Mo.
En este trabajo se comparan las aleaciones de los materiales que ya son usados como fachada y techumbre en base a cobre, con las nuevas aleaciones base cobre con cromo y molibdeno. Las aleaciones que se estudiarán son Cu-5%Cr-5%Mo, Cu-10%Cr-10%Mo y Cu-15%Cr-15%Mo (% porcentaje en peso). Las muestras fueron procesadas en un molino SPEX 8000M en presencia de Ar en contenedores de acero endurecidos con bolas del mismo material. La razón bolas/polvos fue de 10.
Para caracterizar las aleaciones obtenidas por AM, se utilizan las siguientes técnicas: Espectroscopia de absorción atómica, microscopía electrónica de barrido (MEB), metalografía, análisis de microdureza, difracción de rayos x (DRX) y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Se utilizara un software denominado crystallite, para analizar los datos, luego de la técnica de difracción de rayos x.
A medida que aumenta el tiempo de molienda ya no se observaran partículas de Cr o Mo, lo que nos indica que se formó solución sólida. El tamaño de cristalita y la energía de falla de apilamiento disminuyeron y densidad de dislocaciones aumentó con el tiempo de molienda. Los valores de propiedades mecánicas estimados a través de comparación mostraron que las aleaciones pueden ser usadas en techumbres y fachadas.
SUMMARY
The most productive mines of copper are in Chile , for that reason, it is necessary to do more researches and development to look for new applications. The general aim of the present work was to study the manufacture of alloys Cu-Cr-Mo, with the purpose of improve the mechanical properties of the copper, orientated to the area of the construction. Across conventional methods, it is not possible to improve substantially the properties of the materials, for this reason, processes are in use of not balance for happening advanced materials. The most traditional processes of non-balance are; alloyed mechanic, steam deposit, and implantations of ions between others. The alloyed mechanic (AM) is a process very versatile and simple to realize. Across the notable process it is possible to increase the solid solubility, to avoid segregations, and to produce materials nanocristalinos. Because of that, the AM was chosen to produce ternary alloys base Cu with elements with enthalpy of positive mixture as Cr and Mo.
In this work, there will be compared the alloys of the materials that are used as front and roof on the basis of copper, with the new alloys base charges with chrome and molybdenum. The alloys that there will be studied are Cu-5%Cr-5%Mo, Cu-10%Cr-10%Mo and Cu-51%Cr-51%Mo (% percentage in weight). The samples were processed in a mill SPEX 8000M in Ar presence on containers of steel hardened with balls of the same material. The reason balls / powders were of 10.
To characterize the alloys obtained by AM, the following technologies are used: atomic absorption spectrophotometry, scanning electron microscope (SEM), metallography, analysis of microhardness X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC).
The software called Crystallite will be use to analyse the information, after the technology of diffraction of X-rays.
As it increases the time of grinding already were not observing particles of Cr or Mo, which indicates us that the solid solution, was formed. The crystallite size and the energy of stacking fault diminished and density of dislocations increased with the time of grinding. The values of mechanical properties estimated across comparison showed that the alloys can be used in roofs and fronts.
CAPITULO I:
INTRODUCCION Y OBJETIVO
1.1.- INTRODUCCION
El aleado mecánico (AM) es un proceso que involucra la repetida deformación, fractura y soldadura continua de partículas al estar sujetas a una molienda constante, además de que por esta técnica se obtienen aleaciones en el estado sólido. El aleado mecánico es una técnica novedosa con lo cual se obtienen materiales avanzados con propiedades inusuales, debido al enfriamiento micro estructural a que son llevados los polvos de elementos metálicos, no metálicos o compuestos, en la cual ocurre una combinación atómica hasta obtener una aleación verdadera de los compuestos. Esta técnica fue desarrollada por Jhon S. Benjamín y su equipo de investigación en los laboratorios de investigación Paul D. Merica de la International Nickel Company (INCO) en el año 1966 como una necesidad industrial por producir superaleaciones base nickel - hierro con reforzamiento por dispersión de óxidos (oxide dispersión strengthened ODS) para aplicaciones aeroespaciales, combinando resistencia a la corrosión y resistencia a temperaturas intermedias del precipitado γ junto con la alta resistencia mecánica y estabilidad a elevadas temperaturas de la dispersión de óxidos. Aunque su origen se sitúa en la década de los 60, la investigación en este campo ha comenzado a ser realizada aproximadamente hace 15 años. El crecimiento de publicaciones a partir de 1970 hasta 1994 ha sido notorio, en la cual se puede apreciar un crecimiento sostenido, llegando en los tres últimos años a una producción entre 500 y 600 artículos por año.
El AM ha sido aplicado a una gran variedad de partículas, metales, cerámicas, polímeros y materiales compuestos. Por AM se pueden obtener aleaciones metálicas que por medios tradicionales es muy complicado. Debido a esto se están buscando las mejores aleaciones posibles que en conjunto con el cobre proporcionen un material compuesto que entregue seguridad, estabilidad y economía en el ámbito de la construcción, en especial para ser utilizado como fachada y techumbre
En muchos países el cobre es utilizado en construcciones como lo son usados diversos materiales en Chile, este es el país que proporciona la mayor cantidad de cobre en el mundo, cerca del 40% (IDITEC S.A, 2006).
Muchos materiales de construcción que contienen cobre tienen un alto nivel de contenido reciclado (a menudo superior al 80%). Aún más importante, estos productos son durables, tienen largos ciclos de vida, son de bajo mantenimiento (requieren de simples reparaciones o reemplazos) y son fácilmente reutilizables o reciclables.
Está claro que el cobre es un excelente material, pero posee una gran desventaja, ya que tiene una resistencia mecánica muy baja, es por eso que para aumentarla se aleará con cromo y molibdeno, lo cual además, le ayudará a aumentar la resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas. Esto ya ha sido comprobado en otras investigaciones como es el caso de la tesis “Estudio de la evolución estructural NC en el AM de los sistemas Cu-Cr y Cu-Mo” (Aguilar, 2006). Queda en claro que esta investigación es de evolución de resultados y no de obtención. Sabiendo que este tipo de aleación definitivamente es la correcta, se desarrolla un estudio metalúrgico, el cual indicará cuando se formara solución sólida de cromo y molibdeno en cobre, a que tiempo de molienda y con que porcentajes de soluto y solvente, además se indicara en que aleación aumentarán los defectos cristalinos. Debido a esto, los ensayos realizados no son comparables con otros materiales, solo hacen una comparación entre una aleación y otra, a excepción del ensayo de dureza brinell, donde se compara la dureza de las aleaciones con otros materiales.
1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El cobre debe alearse con otros metales para ser trabajado como fachada o techumbre, metales que le permitan soportar los cambios climáticos y esfuerzos a que se verá expuesto.
Aquí se comienza a mencionar el nombre de aleación mecánica, que es capaz de crear nuevas superaleaciones aprovechando las propiedades del cobre en combinación con otros elementos inmiscibles (Cr y Mo).
1.3.- OBJETIVOS
1.3.1.- Objetivos General
Estudiar la fabricación de aleaciones cu-cr-mo, para mejorar las propiedades mecánicas del cobre, orientadas al ámbito de la construcción.
1.3.2.- Objetivos Específicos
• Fabricar aleaciones en base a cobre, para así formar un material de gran resistencia sin que este pierda sus propiedades térmicas y conductoras.
• Analizar características estructurales por medio de difracción de rayos x, espectroscopia de absorción atómica, análisis de microdureza, microscopia electrónica de barrido, metalografía y calorimetría diferencial de barrido.
1.4.- HIPOTESIS
Con el incremento del tiempo de molienda de las diversas mezclas de polvos metálicos se estima que la cantidad de defectos internos también se incrementará. Además el aumento de la cantidad de defectos cristalinos internos expresados como: nivel de microdeformación y disminución del tamaño de cristalita, producidos por la acción de los medios de molienda en los polvos de cobre, serán la fuerza impulsora necesaria para que se produzca un aumento de solubilidad de cromo o molibdeno en cobre.
CAPITULO II:
ASPECTOS TEORICOS
2.1.- INICIOS DEL AM
Los primeros inicios de trabajos relacionados con el aleado mecánico se vieron realizados en 1966 por Jhon Benjamín y sus colegas en Paul D. Merica Research Laboratory of Internacional Níkel Company (INCO). El desarrollo del aleado mecánico fue producto de una búsqueda de nuevos procesos para producir superaleaciones base níquel para la fabricación de turbinas de gas. La idea era combinar la resistencia a elevadas temperatura de dispersoides de óxido y la resistencia a menores temperaturas de precipitados. Para tal efecto se mezcló polvos puros de níquel, cromo, aluminio, titanio y finas partículas de Y2O3.
El término “aleación mecánica” (AM) o “mechanical alloying” (MA) fue introducido por E.C. McQueen a finales de los 60 y la primera producción comercial de un material endurecido por dispersión obtenido por este método se realizó a principios de la década de los 70 con la aleación INCONEL MA754, seguida de las MA 758 y MA 6000; todas ellas, superaleaciones base níquel. El endurecimiento producido por la dispersión de óxidos dio lugar a que estas aleaciones recibieran también el nombre de superaleaciones ODS, acrónimo de “Oxide Dispersion Strengthened” (Ruiz, 2003).
2.2.- DEFINICIÓN DE AM
Es un proceso en seco de molienda de alta energía de no-equilibrio, donde dos o más clases de polvos (pueden ser metales, aleaciones o compuestos) son mezclados, deformados, fracturados y soldados repetidamente, para lograr como resultado, polvos aleados con una composición química homogénea en fases estables o metaestables, con una fina microestructura con una elevada densidad de defectos cristalinos.
2.3.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE AM
Las ventajas más presentes son:• Formación de fases nanoestructuradas
• Los tiempos de molienda son bastante menores comparados con los molinos tradicionales.
• Procesos escalables.
• Producción de partículas finas dispersas de segunda fase(usualmente óxidos)
Las desventajas más presentes son:
• Es un proceso de alto costo, debido a la pequeña cantidad de polvos que se procesan.
• Es un proceso muy minucioso que se expone a contaminaciones tanto en la preparación de la muestra como en la molienda misma.
• Las personas que la realizan, se exponen a contaminación de sustancias toxicas.
• Solo una pequeña cantidad de energía aportada por el molino es transferida a las aleaciones.
• El tiempo de molienda suele ser muy extenso.
2.4.- MATERIALES NANOCRISTALINOS
Los materiales nanocristalinos pueden ser homogéneos o heterogéneos, en ellos el tamaño de cristal es del orden de 1 – 100 nm. Debido a que su tamaño de grano es tan pequeño, una gran cantidad de átomos se encuentran en los bordes, como se puede apreciar en la figura 1. Estos materiales presentan buenas combinaciones de propiedades físicas, mecánicas y magnéticas en comparación con el material tradicional en el cual el tamaño de grano es > 1µm. Los materiales nanocristalinos presentan elevada resistencia mecánica, dureza, velocidad de difusión. Existen variadas técnicas para obtenerlos como son, condensación de gases inertes, electrodepositación, solidificación rápida, etc. El AM presenta la ventaja que logra materiales en estado sólido y a temperatura ambiente. Recién en el año 1987 se logró obtener materiales nanocristalinos por esta vía. Los mecanismos de reducción de tamaños de granos son explicados como: la deformación plástica procede por deslizamiento y maclado a bajos y moderadas velocidades de deformación, mientras que a altas velocidad de deformación, la formación de bandas de corte, las cuales consisten en una densa malla de dislocaciones llegan a ser el mecanismo dominante de deformación. Esas bandas de corte en la cual la deformación es localizada tienen tamaños típicos de 0.1 a 1 µm (Hellstern et al, 1989), al continuar la molienda el promedio de deformación atómica aumenta debido al incremento de la densidad de dislocaciones aumentando severamente el nivel de deformación, el cristal llega a un nivel crítico de
deformación en cual se desintegra en sub-granos que se separan por bordes de bajo ángulo. Este hecho hace disminuir la energía almacenada en el sistema.
Figura 1. Arreglo esquemático de átomos en un material nanocristalino. Fuente: Aguilar (2004).
2.5.- MATERIAS PRIMAS
Las materias primas utilizadas para AM serán partículas que se encuentran en el comercio como polvos puros que tienen tamaños de partícula en el rango de 1±200 mm. El tamaño de la partícula de polvo debe ser más pequeño que el tamaño de las bolas de acero inoxidable, esto es porque el tamaño de la partícula de polvo decrece exponencialmente con el tiempo y alcanza un valor pequeño de algunos micrones sólo después de algunos minutos de molienda, las bolas de acero se encuentran dentro del contenedor que es donde se depositan los polvos que serán aleados. En esta investigación se aleara el cobre como base con cromo y molibdeno, el cobre aparte de ser muy maleable y dúctil es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas, la desventaja que posee es su baja resistencia mecánica, la cual disminuye aún más a temperaturas elevadas, por lo tanto, se aleara con el cromo y molibdeno para aumentar esa resistencia, además de soportar temperaturas y corrosiones sumamente altas.
2.6.- MECANISMO DE ALEACIÓN
Figura 2. Proceso de molienda al interior del molino atritor. Fuente: Maximov (2008).
La tendencia general en un principio es a que, luego de las reiteradas soldaduras, se formen partículas 3 veces más grandes que los polvos originales. La característica principal de estas partículas es la forma de hojuelas, formadas por varias capas de los distintos elementos aleantes. Debido al endurecimiento por deformación plástica las partículas comienzan a fracturarse con mayor facilidad, y la tendencia de fractura predomina por sobre al de la soldadura en frío, generando una reducción en el tamaño medio de los polvos. En una tercera fase, la reducción del tamaño de partícula se detiene, pero se sigue refinando el tamaño del grano. Luego de completado el proceso de aleado, generalmente, no se obtiene mayor refinamiento del tamaño de partícula que un 1% (Maximov, 2008).
Al analizar la molienda, el tamaño de partícula tiene baja varianza. Esto se debe a que las partículas grandes se fracturan con facilidad, mientras, las pequeñas se sueldan entre ellas, ya que soportan mejor la deformación plástica.
Como producto de la gran deformación plástica introducida en las partículas, estas presentan gran densidad de defectos cristalinos, tales como: dislocaciones, vacancias, fallas de apilamiento y bordes de grano. Estos defectos aumentan la difusividad de soluto en la matriz. Esto, principalmente debido a las menores distancias de difusión.
2.7.- MOLINOS USADOS PARA REALIZAR AM
Existen tres clases de molinos usados en la actualidad para realizar AM, los que se describen a continuación, los cuales son: SPEX, planetario y atritor.
2.7.1.- Molino SPEX
Este molino fue originalmente desarrollado por Pulverize Spectrographic Samples. Se usa principalmente en laboratorios, pues la cantidad de polvo que puede procesar es bastante pequeña (aproximadamente 10-30 g en cada contenedor).
Existen dos tipos de modelos, el primero es el modelo simple, que consta de un contenedor y el segundo es el modelo dual, con dos contenedores. En la figura 2 se muestra un molino Spex simple dentro de la cámara de aislación acústica, para evitar que el exceso de sonido contamine acústicamente el medio donde se encuentra el molino, dentro del molino se introduce un contenedor de acero inoxidable, el cual se encuentra en la figura 3, dentro de los contenedores van bolas de acero inoxidable de diferentes diámetros y junto a ellas los elementos que formaran la aleación.
El molino opera agitando los contenedores en tres direcciones mutuamente perpendiculares a velocidades entre un rango de 1200 y 1725 r.p.m. (esta velocidad es la del motor, ya que debido a la relación de diámetro de ejes los contenedores se mueven a una velocidad más moderada). Se alcanza alta energía de molienda en este tipo de molino, por tanto la aceleración de las bolas es varias veces la aceleración de gravedad (Suryanarayana, 2004). Las principales ventajas de este molino son su alta energía y frecuencia de impacto, que se traduce en cortos tiempos molienda y su desventaja, la baja capacidad de procesamiento.
Figura 3. Molino Spex. Fuente: Suryanarayana (2001).
Figura 4. Contenedores de acero inoxidable. Fuente: Suryanarayana (2001).
2.7.2.- Molino planetario
Este molino tritura y mezcla materiales blandos, semiduros, duros y extremadamente duros frágiles o fibrosos, pudiendo usarse para todas aquellas aplicaciones en las que se necesiten en tiempo muy corto granulometrías muy finas que alcancen el rango submicrónico. Es apto para moliendas por vía seca y húmeda.Este molino consiste en un disco central llamado disco sol, en el cual se encuentran los contenedores, el disco sol gira en una dirección, mientras los contenedores giran independientemente en la dirección contraria. La capacidad de los contenedores varía entre 50-250 g.
En la figura 4 se muestra un molino planetario con los contenedores en su interior, el cual ejerce una fuerza centrifuga debido a la rotación de los contenedores alrededor de su eje junto con la rotación del disco sol, esta fuerza es aplicada a los elementos que formaran la aleación y a las bolas dentro de los contenedores, lo que lleva a valores de aceleración cercanas a 40 g en la energía de impacto (Soni, 2000), en la figura 5 se puede observar el movimiento que realiza cada contenedor dentro del molino.
Figura 5. Molino planetario. Fuente: Suryanarayana (2001).
Figura 6. Movimiento de los contenedores dentro del molino planetario. Fuente: Soni (2000).
2.7.3.- Molino atritor
Este molino también lleva el nombre de molino Szegvari. En él se pueden moler grandes cantidades de material en comparación con otros molinos, entre 0,5 y 100 Kg de polvo.
Al utilizar un molino de este tipo es una técnica sencilla y económica, comparada con los métodos tradicionales de alear metales; además brinda la posibilidad de combinar materiales
Este molino consiste en un eje central con paletas que giran a velocidades cercanas a 250 r.p.m, al igual que otros molinos las bolas al entrar en movimiento y chocar una con otra genera energía de colisión entre ellas y el material que se está moliendo.
El molino atritor va conectado a una bomba de vacío, esta permite generar una atmosfera de gases Ar y Nitrógeno para obtener material compuesto mediante la técnica de aleado mecánico.
En la figura 7 se puede observar el modelo de un molino atritor.
Figura 7. Molino atritor. Fuente: Suryanarayana (2001).
Tabla 1. Comparación entre molinos de alta energía. Molino Velocidad (r.p.m.) Volumen de contenedores (ml) Cantidad aproximada de carga de polvos Spex 1725 25 20 g (X 2 contenedores) Planetario 350 250 – 500 250 g (X 4 contenedores) Atritor 250 100 kg Fuente: Aguilar (2004).
2.8.- VARIABLES QUE AFECTAN EL PROCESO DE AM
Las variables que afectan en este proceso tan útil en la actualidad son las siguientes:
Tipo de molino: Como se mencionó con anterioridad, existen 3 tipos de molinos usados en AM.
La gran diferencia entre ellos es el tipo de movimiento realizado, la energía aportada, la velocidad (r.p.m), el volumen de los contenedores (ml) y la cantidad aproximada de carga de polvo.
Energía de impacto: Depende del tipo de molino, densidad y tamaño de las bolas de molienda,
frecuencia de impacto, etc. Se sabe que la frecuencia de colisión es una función lineal del número de bolas. Considerando lo anterior se puede estimar la energía de impacto conociendo el
coeficiente de restitución y la energía cinética de las bolas (EK=1/2mv2). La energía de impacto tiene una importante influencia sobre la microestructura de los polvos (Aguilar, 2006).
Según estudios, el molino que mayor energía aporta a la molienda, es el molino Spex, con una energía cinética menor a 120(10-3 J/hit) (Abdellaoui, 1996), este tipo de molino es el que usamos en esta investigación.
Medios de molienda: En el proceso de molienda son utilizadas bolas, estas bolas aportan energía
a los polvos cuando están siendo molidos por ellas mismas dentro del molino y de ellas también depende la eficacia de la molienda, ya que hay de diferentes tamaños, por lo que se hace un análisis para decidir el número que se utilizara y la distribución que tendrá cada una. El tamaño de cristalita y una serie de defectos cristalinos en las aleaciones son claramente afectados en el proceso de molienda, según estudios intensivos de rayos X.
Estas bolas se fabrican de diferentes materiales, acero endurecido, acero inoxidable, carburo de tungsteno, circonia, nitruro de silicio, metacrilato, alúmina, etc., en este caso serán de acero inoxidable, ya que los contenedores son de este mismo material y se debe tener mucho cuidado en no mezclar materiales, ya que pueden reaccionar entre ellos, además saber que tipo de bolas usar para que no reaccionen con los polvos que están siendo molidos.
Razón de carga: Antes de montar los polvos, se debe saber que razón de carga será la utilizada,
esta se define como la razón de bolas/peso de polvos y tiene una gran influencia en la aleación mecánica. La más común y la que se utilizara en esta investigación será de 1/10, ya que existe
Agentes de control de proceso: Son usados para disminuir la soldadura en frio en la molienda
y así mejorar la eficacia del proceso alcanzando un equilibrio entre soldadura y fractura entre los componentes de la aleación, hay de diferentes tipos líquidos, sólidos y gaseosos y los más comunes para ser utilizados son: Ácido esteárico (que es que se utilizo en esta tesis), ácido oxálico, metanol, etanol, heptano y Polietilenglicol. Al momento de montar los polvos en los contenedores es agregado también este agente, lo que se utiliza generalmente es entre el 1% y 5% del peso de la carga total de polvos.
En esta investigación la soldadura en frio tiende a ser bastante amplia, debido a la gran deformación que experimentan los polvos metálicos al ser molidos, debido a esto es de demasiada importancia contar con un agente de control de proceso para evitarla.
Tiempo de molienda: El tiempo de molienda es una de las variables de mayor importancia, un
buen conocimiento y manejo de esta variable es primordial para obtener los resultados deseados. El tiempo requerido va a depender del sistema, tipo de molino, razón bola/polvo, tamaño de bola, temperatura, sistema químico, etc. (Aguilar, 2006).
Atmósfera de molienda: Luego de montar los polvos en los contenedores, se somete a un
proceso denominado purga, donde dentro de la cámara de guantes los contenedores son sellados con un gas inerte para prevenir la presencia de vapor de agua, nitrógeno y oxígeno u oxidación de la muestra y así evitar la contaminación de esta mimas. Los gases usados pueden ser helio o argón, este último es el que será utilizado en esta investigación.
Se ha observado que en un ambiente de nitrógeno también se puede prevenir o disminuir la oxidación de ciertas muestras (Suryanarayana, 2001).
Temperatura: A pesar de ser una variable de no menor importancia, existe muy poca
información acerca de ella, lo que se sabe mediante investigaciones es que se ha encontrado que la amorfización en sistemas con entalpía negativa de formación, por ejemplo Ni-Zr, cambia en función de la temperatura. En sistemas con entalpía positiva de formación, por ejemplo Cu-Ta, a pocas horas de molienda a temperatura ambiente no es posible obtener una fase amorfa, después de cierto tiempo de molienda comienza la formación de la fase amorfa, pero al aumentar la temperatura, el tiempo de molienda necesario para obtener la fase amorfa señalada disminuye. Por otro lado, la temperatura tiene una influencia significativa en la formación de soluciones sólidas, pues la difusión es un mecanismo térmicamente dependiente. Otro aspecto que se debe considerar, cuando se disminuye la temperatura, los fenómenos de difusión, recuperación y recristalización son poco favorecidos (Aguilar, 2004).
2.9.- APLICACIONES EN FACHADAS Y TECHUMBRES
2.9.1.- Materiales en base a cobre utilizados actualmente como fachadaLas empresas más importantes en Chile y el mundo que se dedican a la producción de revestimiento en base a cobre son las siguientes: KME, QUINTA METÁLICA, CODELCO y LUVATA.
•••• Sistemas TECU, KME.
Estos productos además de ser duraderos, ofrecen unas posibilidades de aplicación únicas. Las llamativas superficies naturales de cobre y aleaciones de cobre permiten verdaderos diseños singulares. Se nombraran los tipos de superficies utilizadas y además los sistemas en los que cada superficie se encuentra.
Superficies TECU
Son una gama de materiales en cobre y sus aleaciones para satisfacer todas las necesidades de arquitectos y diseñadores. Los cuales se nombraran a continuación con más detalle.
TECU Classic: Tras su colocación este material conserva durante un breve periodo su
característico color natural rojo-cobrizo brillante. Los cambios son graduales y no siempre predecibles, varían en función de las condiciones metereológicas, siendo el tiempo el único responsable de la transformación continua del cobre (Hellstern et al, 1989). De entrada, la superficie se vuelve mate, y progresivamente el material va desarrollando una capa de óxido natural que le protege de los efectos de los agentes atmosféricos. Este proceso de oxidación da lugar a variaciones muy particulares de color por toda una amplia gama de tonos marrones con distintos matices a medida que se producen cambios en la luz natural y según las estaciones del año. Este material posee una serie de ventajas: Alta resistencia frente a rayos UV, alta resistencia frente a agentes químicos, resistencia al grafitti y es fácil de limpiar.
Figura 8: Puerto de Barcelona con fachada TECU Classic. Fuente: Kme (2010).
TECU Patina: Es un cobre prepatinado para uso inmediato y destinado a satisfacer las
máximas exigencias estéticas de un edificio. Las chapas de este tipo de fachada están patinadas en verde en una cara con un proceso industrial especial que favorece el desarrollo de una capa de óxido sobre la superficie del cobre. La pátina resultante nace del propio cobre, fruto del mismo proceso de oxidación que ocurre de manera natural cuando el cobre está expuesto a la intemperie durante un largo período de tiempo.
Este revestimiento provisional y transparente proporciona una protección eficaz. Las marcas producidas durante su manejo son prácticamente invisibles sobre la superficie del material e incluso tras ser plegado y perfilado la capa de patina se conserva en buen estado. Además, los procesos de trabajo ahora apenas provocan la generación del polvo de patina. Una vez instalada, la superficie sufre la evolución cromática natural típica y característica del cobre.
Figura 9: Hotel Dornbirncon fachada TECU Patina. Fuente: Kme (2010).
TECU Oxid: Con este material, se salta la fase inicial del color brillante y fresco del cobre
recién instalado y el color evoluciona hacia las tonalidades marrones típicas del cobre oxidado. Los cambios naturales empiezan inmediatamente sobre el edificio con la capa marrón de óxido. El proceso continua exactamente igual que con el cobre clásico: La naturaleza cambia la superficie por los efectos del sol, la lluvia, la nieve y el viento otorgándole una emocionante vida propia siempre de forma única como corresponde al cobre.
Las chapas y bandas TECU Oxid están previamente oxidadas en ambos lados mediante un proceso industrial patentado. Este proceso oxida la superficie del cobre de una forma cuidadosa y sin dañarla, formando una la capa de óxido que no es artificial, sino que sale naturalmente del cobre (Kme, 2010).
Figura 10: Cine de Paris con fachada TECU Oxid. Fuente: Kme (2010).
TECU Zinn: Este es un material de color gris mate, el cual es muy noble y elegante, además de
ser muy armónico con otros materiales. La unión de dos metales excepcionales permite combinar la longevidad del cobre como material base con un aspecto metálico de la superficie que, aun no siendo característico del cobre, logra una justa tonalidad.
En su fabricación, las bandas de cobre son estañadas por ambas caras. La superficie que se obtiene es de un color gris mate, que con su exposición al aire libre evoluciona gradualmente hacia un tono gris vivaz muy característico.
Figura 11: Oficina de la Fifa en Zürichcon fachada TECU Zinn. Fuente: Kme (2010).
TECU Brass: Este es una aleación de cobre y zinc, es más duradera que otros materiales ya
Las aleaciones de cobre TECU desarrollan una personalidad propia e irrepetible cuando son expuestas a la intemperie. El dorado rojizo original de este material evoluciona primero hacia el mate, para adquirir luego de forma progresiva un matiz marrón verdoso, al que sigue una lenta transición hacia un tono marrón grisáceo, para obtener al final un color antracita marrón oscuro. Sobre las superficies inclinadas se forma en cambio la característica pátina tan peculiar del cobre.
Figura 12: Almere fachada TECU Brass. Fuente: Kme (2010).
TECU Bronce: El bronce es una aleación de cobre y estaño. Este material ha sido empleado a
lo largo de los siglos por artistas y escultores debido a sus propiedades, siendo ahora también los arquitectos los que explotan su potencial para conseguir elegantes diseños de fachadas. En esta aleación es típica una oxidación marrón rojiza con una coloración marrón grisácea como telón de fondo; posteriormente el color va cambiando gradualmente en todo el material, convirtiéndose finalmente en antracita marrón oscuro. La pátina que se forma a partir de aquí se desarrolla mediante un proceso mucho más lento comparado con el cobre natural.
Figura 13: Trescore fachada TECU Bronce. Fuente: Kme (2010).
TECU Gold: Es una aleación de cobre y aluminio, se vuelve mate poco tiempo después de su
colocación en el edificio, desarrollando con el tiempo una cálida superficie dorada que, a pesar de carecer de brillo, recuerda inconfundiblemente al metal precioso.
Las fachadas revestidas con este material ofrecen una calidad distinta, agradable y única. La superficie sufre poquísimas alteraciones cromáticas, conservando de este modo toda su expresividad con el tiempo. Los procesos de oxidación son prácticamente inapreciables en el color de las superficies de la fachada.
Figura 14: Pabellón Münster fachada TECU Gold. Fuente: Kme (2010).
Sistemas TECU
Posibilidades avanzadas para cualquier tipo de espacio y revestimiento. A continuación se nombraran con más detalle.
TECU Net: Se trata de un velo de cobre semitransparente, en busca de lo esencial.
Este material ofrece innovadoras posibilidades de diseño para numerosas aplicaciones: por ejemplo como elemento autoportante en revestimientos de fachadas, como revestimiento exterior de torres de aparcamiento, en paneles de ventilación, elementos de protección solar y recubrimientos de parapetos.
Figura 15: Edificio con sistema de fachada TECU Net. Fuente: Kme (2010).
TECU Bond: Se trata de un compuesto de cobre, para la creación de grandes superficies
perfectamente planas. Este nuevo material compuesto ofrece todas las propiedades estéticas de las superficies de esta empresa pero se puede cortar a medida e instalarse sobre grandes superficies de forma mucho más rápida y fácil. Se trata de un material extremadamente plano y resistente a la torsión. Tiene un peso reducido y optimizado, un coeficiente de dilatación térmico bajo y una elevada resistencia mecánica a las cargas de viento, frente a impactos,
Figura 16: Edificio con sistema de fachada TECU Bond. Fuente: Kme (2010).
TECU Paneles: Los paneles de este tipo de fachada son elementos de forrado de fachadas con
o sin tapa en su extremo. Los paneles se suministran en largos de hasta 4.000mm y anchuras de hasta aproximadamente 500mm. El montaje en obra se lleva cabo según el principio de machihembrado o de solapado.
Los paneles se pueden colocar en varias direcciones – vertical, horizontal o diagonal:
• Paneles instalados para crear una superficie plana con juntas verticales
• Paneles instalados para crear una superficie plana con juntas horizontales
• Paneles especiales con fijaciones visibles u ocultas colocadas en diferentes ángulos para crear una superficie plana o de diente de sierra.
Figura 17: Edificio con sistema de fachada TECU Paneles. Fuente: Kme (2010).
TECU Cassetes: Son elementos de fachada con los bordes plegados en todos sus vértices,
disponibles en proporciones geométricas de 1:1 a 1:4. Su producción se hace exclusivamente de forma prefabricada. Los paneles casete permiten una gran flexibilidad con respecto al despiece, al diseño de las juntas y a los métodos de fijación. Permiten, sobre todo, paneles de dimensiones más grandes que otros sistemas.
Normalmente se fijan directamente con remaches o tornillos, o con una fijación oculta mediante ganchos que cuelgan el panel de la estructura metálica portante.
Figura 18: Edificio con sistema de fachada TECU cassetes. Fuente: Kme (2010).
desde abajo hacia arriba. La dirección de la junta alzada normalmente es horizontal o vertical. También pueden estar a un ángulo en concreto si el proyecto lo requiere.
En cuanto a los detalles, estos se realizan con el máximo cuidado para obtener una fachada perfecta. Los mismos detalles dejan dilatar los metales en respuesta a los cambios térmicos que sufren diariamente. Esto, aún en fachada, sigue siendo imprescindible para asegurar una larga vida a la fachada (Quintametalica, 2010.
Superficies TECU “Quinta metálica”
El cobre tiene muy buenas características para ser utilizado como fachada, tiene muy buena resistencia a la corrosión y una durabilidad excelente, se estima 80 años en zonas costeras e industriales y más de 100 años en zonas urbanas y rurales, no requiere mantenimiento alguno, no requiere limpieza, es muy maleable y fácil de manipular aún en temperaturas bajas, es reciclable cien por ciento si límites de ciclos, no es toxico, acepta la soldadura muy bien, sin embargo es muy importante emplear el metal de aportación y decapante correctos, está disponible en muchos espesores y dimensiones.
Son tres tipos de superficies utilizadas para fachadas en esta empresa, las cuales son: tecu classic, tecu patina y tecu oxid, las que serán explicadas con más detalle a continuación.
Cobre natural TECU Classic: El cobre natural tiene un color inconfundible. Los tonos
iniciales de salmón rojizo cambian rápidamente hacia colores más oscuros, para acabar, después de unos 3 a 5 años en un color marrón oscuro. Durante este proceso, pasa por varios tonos de marrones rojizos cada vez más oscuros, dando una vida muy particular a todas las obras que reviste.
Figura 19: Bodega Casona Micaela, Villa Verde de Trucio, Fachada TECU Classic. Fuente: Quintametalica (2010).
Cobre preoxidado TECU Oxid: El cobre preoxidado muestra el color marrón oscuro del cobre
natural que la naturaleza tarda unos 3 a 5 años en producir. Es una oxidación real de la superficie sobre ambas caras. Este material presenta unas diferencias de tonos que aportan textura y vida a las fachadas y cubierta que reviste. Estas diferencias pueden ser grandes al principio, pero van gradualmente disminuyendo, sin desaparecer por completo. Presenta un aspecto inicial brillante, que al exponerse a la intemperie se va perdiendo paulatinamente hasta acabar en un elegante color mate marrón oscuro. Este tipo de material tiene un costo más elevado que el cobre natural.
Figura 20: Edificio Tecma, Alzira. Fachada de cobre preoxidado, TECU Oxid. Fuente: Quintametalica (2010).
Cobre prepatinado TECU Patina: Este tipo de material da un aspecto de cobre envejecido.
Los aspectos más atractivos de este material es la individualidad que tiene cada chapa, que imparte una textura única al revestimiento, aportando interés adicional a la obra. Este aspecto del material es especialmente notable en fachadas, y contrasta con fachadas de metales pintados ausentes de carácter e interés.
El cobre prepatinado que se emplea en esta empresa tiene sobre una de sus caras una capa de patina real, parecido a lo que desarrolla el cobre después de 20 o más años. Se realiza el patinado en fábrica, en un entorno controlado
Figura 21: Hotel Oasis Plaza, España. Fachada de cobre prepatinado, TECU Patina. Fuente: Quintametalica (2010).
Sistemas Quinta metálica
Los sistemas utilizados para estos tipos de materiales son:
Junta alzada: Es un sistema que cubre la cubierta engatillando las chapas longitudinalmente
entre sí en obra, para formar una junta estanca y de fijación oculta.
Quintametalica utiliza detalles y remates en los extremos de las juntas, uniones con otros materiales y encuentros con los bordes de la cubierta.
Además, estos mismos detalles dejan dilatar los metales en respuesta a los cambios térmicos que sufren diariamente. Esto es imprescindible para asegurar una larga vida al revestimiento
Figura 22: Esquema junta alzada horizontal sobre fachada ventilada y junta alzada vertical sobre fachada ventilada.
Junta plana: Este sistema también se conoce como el sistema de escamas, es el sistema más
flexible ya que su junta es fácil de curvar y adaptar a geometrías complejas.
Es un sistema que cubre la fachada engatillando las chapas individuales entre sí en obra, para formar una junta estanca y de fijación oculta, estos se instalan desde abajo hacia arriba.
En contraste con la junta alzada para fachadas, en este sistema la junta es igual en todo el perímetro de cada chapa, creando líneas iguales en ambos sentidos. La dirección de instalación de las escamas suele ser horizontal, pero vertical o a 45º también son normales. También pueden estar a un ángulo en concreto si el proyecto lo requiere.
Figura 23:Esquema junta plana sobre fachada ventilada. Fuente: Quintametalica (2010).
Paneles: La dirección de la junta normalmente es horizontal o vertical. También puede estar a
un ángulo en concreto si el proyecto lo requiere.
El sistema de panel de fachada cubre en muro encajando unos paneles estrechos entre sí. La fijación es oculta. Se instala desde arriba hacia abajo, o desde un lado hacia el otro. Los paneles en si no admiten curvatura, con lo cual para revestir una fachada curvada en planta los paneles tienen que estar instalados en vertical.
Figura 24:Esquema panel de fachada. Fuente: Quintametalica (2010).
•••• Lámina Electrolítica de Cobre LEC, CODELCO.
Este tipo de recubrimiento se fabrica mediante un proceso de electro-obtención con el que se crean planchas de cobre electrolítico que tienen un contenido mínimo de cobre del 99,98%. Sus principales características son su color rojizo pardo, sin brillos y su temple o dureza que le permite una gran ductibilidad para realizar procesos de dobleces y plegados, además de la posibilidad de lograr reducciones importantes de costos respecto de otras láminas que se obtienen en el mercado (Codelco, 2010).
Lec es una plancha uniforme de superficie lisa y con espesores homogéneos. Permite construir todo tipo de revestimiento de cubiertas. Como por ejemplo el sistema de cubierta formado por “bandejas” de cobre plegado, que luego son selladas, unas con otras, con costuras a 180 recargadas mecánicamente denominado Emballetado de Junta Alzada. Se fijan con lainas (25 x 40 x 0,5mm) que forman juntas de dilatación deslizantes y clavos terrano cobre (1”).
Es un revestimiento de fácil montaje, económico y resistente a las inclemencias de climas severos. Se adapta perfectamente a cualquier forma arquitectónica.
Figura 25:Casa en Algarrobo con fachada creada con LEC. Fuente: Codelco (2010).
•••• Perfiles, paneles y cassettes nórdicos, LUVATA.
Estos perfiles se encuentran disponibles en forma de rollos o soldados. Con este tipo de diseño se puede tener en cuenta los efectos de; condensación, ventilación y propiedades específicas del cobre. En el caso de los paneles nórdicos no existen restricciones en cuanto al diseño ya que no hay límites en cuanto a medidas y dimensiones. Mientras que los cassettes nórdicos están diseñados tanto como para sistemas de fachada como para techumbres (Luvata, 2010).
Figura 26:Revestimiento de fachada metálica de cobre de cassetes nórdicos Luvata. Fuente: Luvata (2010).
•••• Nielol techos de cobre
Esta fábrica de techumbres, se encuentra en la ciudad de Rancagua en Chile, sus productos poseen hermoso color, existe una variedad de tonos, tienen una alta resistencia a la corrosión y son reciclables en un 100 %. Lo que es muy positivo es que además de ser hermoso es económico debido a su escaso mantenimiento.
La patina es el color verde que el cobre va dando con el paso del tiempo, este es adquiero naturalmente en este tipo de techumbres.
Figura 27: Techumbre del Santuario San Nicolás de Argentina, fabricada por Nielol. Fuente: Nielol (2010).
•••• Luvata
En esta fábrica existen dos tipos de techos: Los techos tradicionales y los nórdicos prefabricados. Los sistemas utilizados en este tipo de techumbre generalmente son de junta alzada y cassetes.
Techos tradicionales: Los techos tradicionales de Luvata son usados tanto para edificios
públicos como para casas modernas. Esta empresa ofrece una gama completa de instrucciones de diseño para el techo de cobre tradicional y también la formación de diseñadores y constructores.
Figura 28: Techumbre tradicional Luvata. Fuente: Luvata (2010).
Nórdicos prefabricados: Estos son un sistema de techado de instalación hecho de láminas de
cobre con superficie prepatinada. Es libre de mantenimiento, es extremadamente resistente y tiene bajo costo durante su ciclo de vida.
Este tipo de techumbre ha sido diseñada para darle una planificación a la instalación del techo, ya sea de hora y lugar. Luvata puede ayudar además en la instalación si es necesario.
Figura 29: Techumbre de cobre prefabricada (doble junta alzada). Fuente: Luvata (2010).
•••• Cuprum
Esta empresa ubicada en la ciudad de Santiago de Chile se dedica a la extracción de laminas de cobre a través del proceso electrolítico .Las techumbres que fabrican son de cobre en formato 1.10 x 3mt y 1 x 4mt, con espesores que van desde los 60 micrones hasta 2.5mm.
Los sistemas que Cuprum ofrece son los siguientes: placas techos (diferentes formatos), teja romboidal, teja tipo colonial, junta listón, junta alzada y junta zolapa.
CAPITULO III:
DESARROLLO EXTERIMENTAL
3.1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES Y EQUIPOS
• Polvos: Se usaron polvos fabricados por la empresa Sigma-Aldrich. Los polvos de cobre con una pureza de 99%, los polvos de cromo con una pureza de 99+% y por último los polvos de molibdeno con una pureza de 99,99 %.
• Ácido esteárico: Se usó un acido esteárico fabricado por la empresa Equilab. Para evitar la oxidación de las aleaciones.
• Molino: Tipo Spex 8000D con dimensiones de 56x39x28 cm, preparado para una alimentación eléctrica de 230V/50Hz, con una potencia de motor de 245 W (1/3HP) y con una velocidad de giro nominal del motor de 1725 r.p.m. La amplitud de movimiento de cada biela es de 6.03 cm (2 3/8 pulgadas) adelante-atrás y de 5.71 cm (2 1/4 pulgadas) de lado a lado.
• Contenedores: Se usaron contenedores de acero endurecido y tapa de aluminio, fabricadas por la empresa Spex Somplepere con dimensiones de 5.71 cm (21/4 pulgadas) de diámetro por 7.62 cm (3 pulgadas) de alto y una capacidad de 25 ml.
• Bolas de acero inoxidable: Como medio de molienda se utilizaron dentro de cada contenedor 4 bolas de acero inoxidable de 12 mm y 21 bolas de acero inoxidable de 8 mm.
• Horno: El horno utilizado fue de la marca Equilab, Thermo Scientific de 1200ºC como temperatura máxima.
• Contenedores para horno: Se usaron contenedores de cobre, fabricados en la Universidad Austral de Chile.
• Cámara de guantes: Se utilizó el modelo Nitrogen Dry Box 850-NB, fabricado por la empresa Plus Labs, Inc., con una capacidad de 0,489 m3 (489 litros) y con una pre-cámara de transferencia de 0.018 m3 (18.7 litros).
• Gas inerte: Se usó argón con una pureza comercial cuya composición es de 99.9 % Ar, 0.02 % O2 y 0.08 % N2.
• Balanza: Se usó una balanza de marca Equilab, con una capacidad máxima de 610 g.
• Otros: Alcohol, vidrio reloj, pinceles, espátula y recipientes de plástico.
3.2.- Procedimiento experimental
• Cargar los polvos en los contenedores:
En el laboratorio se tienen los polvos, el acido esteárico, la balanza, espátula, pinceles, vidrio reloj, alcohol, etc.
Luego se siguen los siguientes pasos:
a. Se limpian con alcohol las bolas y con pincel los contenedores. b. Se pesan las bolas de cada contenedor.
c. Se carga cada contenedor con las bolas.
d. Con respecto al peso de las bolas, se pesan los polvos de cobre, cromo y molibdeno. e. A medida que se van pesando los polvos van siendo ingresados en los contenedores. f. Se pesa la cantidad de ácido esteárico.
g. Se cargan los contenedores con el ácido esteárico o agente de control de proceso. h. Se cierran los contenedores.
• Purga en la cámara de guantes:
Los contenedores son llevados a la cámara de guantes y luego siguen los siguientes pasos: a. Se introducen los contenedores destapados, pero con sus tapas a los lados en la
pre-cámara.
b. Se cierra la puerta externa de la pre-cámara. c. Se prende la cámara de guantes
d. Se realiza purga de la pre-cámara, primero se debe hacer vacio hasta una presión de -25 mmHg, luego se cierra la llave de vacío y se abre la llave para que ingrese el gas inerte (argón), donde la presión debe volver a 0 mmHg, esta operación se debe realizar 5 veces.
g. Se devuelven los contenedores cerrados a la pre-cámara, cerrándose la puerta entre cámara y pre-cámara.
h. Finalmente se extraen los contenedores ya cerrados y sellados por la purga, la que evitara que al momento de ser molidas se oxiden.
• Aleado mecánico en molino Spex:
Dentro del molino Spex se introduce un contenedor, el cual ya ha pasado por el proceso de purga, luego de ser bien asegurado, se cierra el molino y se programa el timer, que es el que controla el funcionamiento del molino y permite programar el tiempo de este. Al terminar el tiempo requerido de molienda, el contenedor es extraído del molino.
• Recuperación de polvos:
Una vez que se ha extraído el contenedor del molino, se abre y los polvos son recolectados por medio de pinceles e introducidos en bolsas plásticas con cierre hermético, para ser almacenados y analizados posteriormente.
• Aleaciones ternarias: Se escogen las 4 muestras más extremas, para tener un promedio y tendencia clara, dichas aleaciones son purgadas nuevamente, pero esta vez serán introducidas en contenedores de cobre, por mientras se realiza la purga, el horno se programa para que logre la temperatura deseada, este proceso es relativamente lento, en este caso serán dos temperaturas la que se requerirán por cada muestra, 300ºC a 6 minutos y de 600ºC a 4 minutos, cada muestra debe ser introducida por separado. Luego de enfriados los contenedores, se recuperan los polvos de manera normal, en bolsas con cierre hermético para ser almacenados y analizados posteriormente.
• Variables a considerar:
Las variables a considerar fueron las siguientes: a. Tiempo de molienda: 32, 50, 75 y 100 horas.
b. Porcentaje de Soluto: Se utilizaron las siguientes mezclas en porcentaje en peso:
Sistema Cu-Cr-Mo: Cu-5Cr-5Mo, Cu-10Cr-10Mo y Cu-15Cr-15Mo a 32, 50,75 y 100 horas de molienda, en total 12 muestras.
c. Porcentaje de Soluto para aleaciones ternarias: Se utilizaron las siguientes mezclas en porcentaje en peso:
Sistema Cu-Cr-Mo: Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 32 y 100 horas de molienda, en total 4 muestras.
