INGENIERO METALURGISTA PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE TESIS UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA

Efecto del % aluminio en una aleación base cobre sobre la dureza, resistencia al desgaste, contracción volumétrica y contracción sólida

AUTOR: Br. Arteaga Custodio, Jherson Br. Avila Pinillos, Anderson

ASESOR: Dr. Ismael Ignacio Purizaga Fernández

1. TRUJILLO – PERU

2. 2022 3.

TESIS

PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE

INGENIERO METALURGISTA

Dedicatoria

A mis padres Celestino y Cecilia por ser mi soporte durante todo este tiempo, por inculcarme los valores que ayudaron a forjarme como persona y a mi hermana Celeny por el sacrificio realizado para alcanzar juntos este objetivo.

Jherson Arteaga

Dedico mi tesis a toda mi familia que me apoyo para lograr uno de mis sueños, en especial a mis padres que estuvo en las buenas y en las malas durante todo este largo camino. Siempre voy estar agradecido con todos ustedes por ayudarme a cumplir con mi objetivo.

Anderson Avila

ii Agradecimiento

Nuestro Sincero agradecimiento a nuestro asesor Dr. Ismael Purizaga Fernández, por su dedicación y esfuerzo para hacer posible el desarrollo de la presente tesis.

A la plana docente y personal administrativo de escuela profesional de ingeniería metalúrgica de la Universidad nacional de Trujillo, quienes nos impartieron todos sus conocimientos y nos acompañaron durante toda nuestra formación profesional. A nuestros compañeros y amigos que hicieron muy amena nuestra etapa universitaria.

Los autores

Resumen

En esta investigación se ha estudiado el efecto del porcentaje de aluminio en el rango de 4 a 15 % en una aleación base cobre colada en molde de arena, sobre la dureza, resistencia al desgaste, contracción volumétrica y contracción sólida. Para tal propósito se fundió lingotes de diámetro mayor 50 mm, diámetro menor 45 mm y altura 50 mm, estas sirvieron para evaluar la contracción volumétrica y contracción sólida, 16 mm de diámetro interior y discos de 40 mm de diámetro exterior, 16 mm de diámetro interior y 15 mm de espesor estas fueron maquinadas según la norma ASTM G-77 y para el ensayo de dureza según norma ASTM E – 10.

Los resultados experimentales muestran que al incrementar el porcentaje de aluminio en el rango de 4 a 15 %: La dureza aumenta desde 82.40 HB para 4 % de aluminio hasta 295.20 HB para 15

% aluminio; la resistencia al desgaste aumenta debido a que la pérdida en peso disminuye desde 239.40 mg para 4 % aluminio hasta 115.10 mg para 15 % de aluminio; con respecto a la contracción volumétrica disminuye desde 5.34 % para 4 % aluminio hasta 3.50 % para 15 % aluminio, debido a que el espaciamiento de brazos dendríticos secundarios (EBDS) se hacen más cortos y con respecto a la contracción sólida esta disminuye según se incrementa el % de aluminio desde 2.04 % para 4% aluminio hasta 1.62 % para 15 % aluminio.

Se concluye que el porcentaje de aluminio en el rango de 4 a 15% aluminio en la aleación cobre aluminio afecta significativamente la dureza, resistencia al desgaste, contracción volumétrica y contracción sólida, según el análisis estadístico con un nivel de confianza del 95 %.

Palabras claves: Cobre, aluminio, desgaste, contracción, fundición, dureza, cuproaluminio.

iv Abstract

In this research, the effect of the aluminum percentage in the range of 4 to 15 % in a copper base alloy cast in a sand mold, on the hardness, wear resistance, volumetric shrinkage and solid shrinkage has been studied. For this purpose, ingots of larger diameter 50 mm, smaller diameter 45 mm and height 50 mm were cast, these were used to evaluate the volumetric shrinkage and solid shrinkage, 16 mm inside diameter and discs of 40 mm outside diameter, 16 mm inside diameter and 15 mm thick, these were machined according to ASTM G-77 standard and for the hardness test according to ASTM E - 10 standard.

The experimental results show that by increasing the percentage of aluminum in the range of 4 to 15 %: The hardness increases from 82.40 HB for 4 % aluminum to 295.20 HB for 15 % aluminum;

the wear resistance increases because the loss in weight decreases from 239.40 mg for 4 % aluminum to 115. 10 mg for 15 % aluminum; with respect to volumetric shrinkage it decreases from 5.34 % for 4 % aluminum to 3.50 % for 15 % aluminum due to the secondary dendritic arm spacing (EBDS) becoming shorter and with respect to solid shrinkage this decreases as the % aluminum increases from 2.04 % for 4 % aluminum to 1.62 % for 15 % aluminum.

It is concluded that the percentage of aluminum in the range of 4 to 15% aluminum in the copper aluminum alloy significantly affects the hardness, wear resistance, volumetric shrinkage and solid shrinkage, according to the statistical analysis with a confidence level of 95 %.

Keywords: Copper, aluminum, wear, shrinkage, smelting, hardness, cuproaluminum

Índice

Dedicatoria...i

Agradecimiento...ii

Resumen...iii

Abstract...iv

Índice...v

Listado de tablas...viii

Listado de Figuras...ix

CAPITULO I Introducción 1.1. Realidad Problemática ... 1

1.2. Antecedentes ... 3

1.3. Marco Teórico ... 6

1.3.1. Cobre y sus Aleaciones ... 6

1.3.2. Proceso de Fundición ... 12

1.3.3. Contracción y su Mecanismo ... 25

1.3.4. Ensayo de Dureza ... 27

1.3.5. Desgaste ... 28

1.4. Problema ... 30

1.5. Hipótesis ... 30

1.6. Objetivos ... 30

vi

1.6.1. Objetivo General ... 30

1.6.2. Objetivos específicos ... 30

CAPITULO II Materiales y Métodos 2.1. Material de Estudio ... 32

2.2. Equipos, Instrumentos, Reactivos y Materiales consumibles ... 35

2.3. Métodos y Técnicas ... 37

2.4. Procedimiento experimental ... 39

CAPITULO III Resultados 3.1. Resultados del Ensayo de Dureza ... 44

3.2. Resultados del Ensayo de Desgaste ... 45

3.3. Resultados de la Contracción ... 46

a. De la Contracción Volumétrica (Cv) ... 46

b. De la Contracción Sólida o Térmica (Cs) ... 47

CAPITULO IV Discusión de Resultados 4.1. Del Ensayo de Dureza ... 49

4.2. Del Ensayo de Desgaste ... 50

4.3. De la Contracción ... 50

a. De la Contracción Volumétrica (Cv) ... 50

b. De la Contracción Sólida (Cs) ... 51

CAPITULO V Conclusiones y Recomendaciones 5.1. Conclusiones ... 52

5.2. Recomendaciones ... 52

Referencias Bibliograficas...53

Apéndice A: Análisis Estadístico...56

Apéndice B: Cálculos Complementarios...66

Apéndice C: Análisis Microestructural...722

Anexo: Fotografías...75

viii Listado de Tablas

Tabla 1. Designación de las aleaciones de cobre ... 19

Tabla 2. Composición química del aluminio comercialmente puro ... 44

Tabla 3. Composición química del cobre ASM C10100 ... 44

Tabla 4. Propiedades mecánicas y físicas del aluminio puro... 44

Tabla 5. Propiedades mecánicas y físicas del cobre ASM C10100 ... 45

Tabla 6. Modelo matricial de un solo factor para análisis de resultados………....50

Tabla 7. Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor………....51

Tabla 8. Dureza (HB) obtenida en probetas de aleación cobre - aluminio ... 56

Tabla 9. Desgaste (mg) obtenida en probetas de aleación cobre - aluminio ... 57

Tabla 10. Contracción volumétrica (Cv) obtenidas en lingotes de aleac. Cu-Al ... 59

Tabla 11. Contracción sólida (Cs) obtenidas en lingotes de aleación Cu- L ... 60

Tabla A1. Datos a calcular para el análisis de varianza para un solo factor ... 69

Tabla A.2. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) obtenidas en probetas de aleación Cobre - aluminio ... 70

Tabla A.3. Análisis de varianza de los resultados de desgaste (mg) obtenidas en probetas de aleación Cobre - aluminio ... 71

Tabla A.4. Análisis de varianza de los resultados del ensayo de contracción volumétrica (Cv) obtenidas en probetas de aleación Cobre-aluminio ………..…72

Tabla A.5. Análisis de varianza de los resultados de la contracción térmica (Cs) obtenidas en probetas de aleación Cobre – aluminio. ... 73

Tabla B.1. Evaluación de resultados del ensayo de desgaste (mg) en probetas de aleación cobre – aluminio...80

Tabla B.2. Evaluación de los resultados de la contracción volumétrica (Cv) en lingotes de

aleación cobre - aluminio ... 82

Tabla B.3. Evaluación de los resultados de la contracción sólida (Cs) en lingotes de aleación cobre – aluminio………....…83

Listado de Figuras Figura 1. Diagrama de equilibrio cobre - aluminio ... 20

Figura 2. Efecto del porcentaje de aluminio en las aleaciones cobre – aluminio sobre las propiedades mecánicas... 22

Figura 3. Formas de moldes para fundición... 25

Figura 4. Diagrama de equilibrio para el sistema cobre – Níquel y su curva de enfriamiento ... 29

Figura 5. Macroestructura de una pieza fundida durante la solidificación de una aleación ... 31

Figura 6. Crecimiento planar ... 32

Figura 7. Crecimiento dendrítico ... 33

Figura 8. Distancia entre brazos dendríticos secundarios y dendrita en aluminio ... 35

Figura 9. Efecto del tiempo de solidificación sobre la distancia de brazos dendríticos secundarios en el cobre, zinc y aluminio ... 36

Figura 10 Efecto de la distancia entre brazos dendríticos secundarios sobre las propiedades de una aleación de aluminio………...37

Figura 11. Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento...38

Figura 12. Método del ensayo de dureza Rockwell (HC)...40

Figura 13. Desgaste adhesivo...41

Figura 14. Modelo para la obtención del lingote de aleaciones cobre - aluminio para la evaluación de las respectivas contracciones...45

x

Figura 15. Probeta para el ensayo de dureza Brinell, según la norma ASTM E 10 - 18...46

Figura 16.Modelo del disco para la obtención de las probetas para el ensayo de desgaste...46

Figura 17. Geometría de probeta para el ensayo de desgaste según norma ASTM G-77...47

Figura 18. Diagrama de bloque de la secuencia del diseño experimental ... 52

Figura 19. Dispositivo para el ensayo de desgaste ... 54

Figura 20. Dureza (HB) para diferentes porcentajes de aluminio en estudio de la aleación cobre- aluminio (cuproaluminio) coladas en molde de arena...57

Figura 21. Desgaste (mg) obtenidos en probetas de aleación cobre-aluminio con porcentajes de aluminio de estudio colados en molde de arena...58

Figura 22. Contracción volumétrica (%) para diferentes porcentajes de aluminio en estudio de la aleación cobre-aluminio (cuproaluminio) colado en molde de arena...59

Figura 23. Contracción sólida (%) para diferentes porcentajes de aluminio de la aleación cobre – aluminio (cuproaluminio) colado en molde de arena...60

Figura A.1. Gráfica de probabilidad normal vs residuos de los resultados de dureza (HB) en probetas de aleación cobre – aluminio con porcentajes de aluminio en estudio colados en molde de arena...74

Figura A.2. Gráfica de probabilidad normal vs residuos de los resultados resistencia al desgaste (mg) obtenidos en probetas de aleación cobre-aluminio con porcentajes de aluminio de estudio colados en molde de arena...75

Figura A.3. Gráfica de probabilidad normal vs residuos de los resultados contracción volumétrica (CV) obtenidas en probetas (lingotes) de aleaciones cobre - aluminio con porcentajes de aluminio en estudio, colados en molde de arena...76

Figura A.4. Gráfica de probabilidad normal vs residuos de los resultados de contracción térmica (Cs) obtenidas en probetas (lingotes) de aleaciones cobre- aluminio con porcentajes de aluminio

en estudio, colados en molde de arena...77

Figura C.1. Fotomicrografía de la aleación cobre – 4% aluminio ... 84

Figura C.2. Fotomicrografía de la aleación cobre – 7% aluminio...85

Figura C.3. Fotomicrografía de la aleación cobre – 10% aluminio...85

Figura C.4. Fotomicrografía de la aleación cobre – 12% aluminio...86

Figura C.5. Fotomicrografía de la aleación cobre – 15% aluminio...86

Figura F.1. Materia prima: Cobre y aluminio electrolítico, para la obtención de las aleaciones de estudio...87

Figura F.2. Moldeo en arena para la obtención de probetas de aleación Cu-Al...87

Figura F.3. Lingotes fundidos de aleaciones cobre - aluminio en estudio...87

Figura F.4. Discos fundidos de aleación Cu-Al...87

Figura F.5. Probetas para el ensayo de desgaste según norma ASTM G-77...88

Figura F.6. Lingotes de aleaciones Cu-Al, para estudio de contracción volumétrica y sólida...88

Figura F.7. Probetas de aleaciones Cu-Al para el ensayo de dureza ... 88

Figura F.8. Probetas de aleaciones Cu-Al para el análisis metalográfico ... 88

Figura F.9. Probetas después del ensayo de desgaste ... 89

Figura F.10. Balanza analítica para pesaje de probetas de aleaciones Cobre-aluminio ... 89

Figura F.11. Equipo para el ensayo de desgaste de probetas Cu-Al…...89

Figura F.12. Ensayo de dureza escala Brinell de probetas de aleación Cu-Al ... 89

Figura F.13. Microscopio metalográfico Leica de 50 – 1000X...90

Figura F.14. Análisis microestructural de las probetas de aleación Cu-Al, en estudio...90

1 CAPITULO I

Introducción 1.1. Realidad Problemática

Los cuproaluminios, también conocidos como bronces de aluminio, son aleaciones en las que el aluminio sirve como elemento de aleación primario y se agrega al cobre en cantidades que van del 4 al 12%. También se pueden agregar otros elementos como hierro, níquel y manganeso.

La combinación de sus cualidades, que incluyen dureza, ductilidad, resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y baja segregación, ha causado un fuerte aumento en la demanda de aleaciones a base de cobre conocidas como bronces, particularmente bronces de aluminio o cuproaluminio. al solidificar. En la obtención de las aleaciones cobre aluminio en la forma de moldeo y fusión, se debe tener más cuidado que en la obtención de cualquier otra aleación base cobre; en los sistemas de alimentación se debe de adicionar filtros o trampas, para que impidan la penetración de alúmina (inclusión) formada por la oxidación de la aleación cobre aluminio (cuproaluminio) líquido, también un buen diseño del sistema de aleación evitará rechupes producida por la contracción volumétrica, que es similar a los de aceros al carbono. Otro factor importante es controlar la temperatura de colada, que no deben de ser muy altas, por la tendencia que tiene las aleaciones cobre aluminio a absorber el hidrogeno que es muy perjudicial, porque produce porosidad por gas en las piezas fundidas disminuyendo las propiedades metalúrgicas y mecánicas, debido a esto la fusión de la aleación debe de realizarse con el menor tiempo posible.

Las aleaciones cuproaluminios tienen una sustancial presencia sobre la economía, ya que la mayoría de piezas fabricadas con esta aleación tales: Engranajes o piñones, aros de

sincronización de las cajas de cambios automotriz, aletas de turbinas hidráulicas, válvulas,

construcciones de hélices marinas de grandes dimensiones, bocinas, equipos y herramientas antichispas para evitar incendios, etc., estos son importados. (Henriquez, 2010, p.15)

Las propiedades y características mecánicas de los bronces al aluminio se determinan generalmente por el contenido de aluminio, del tratamiento térmico, de la misma manera que los aceros consta de temple y revenido y también influye mucho el porcentaje de contracción sea volumétrica, sólida y dendrítica, que al final este se representa por el volumen del rechupe que se puede formar al solidificar la aleación, debido a esto un factor importante que se debe de

considerar en el proceso de obtención de piezas fundidas de Cuproaluminios es la temperatura de colada. (Vega y Sánchez, 2009, p.1314)

En la región existen empresas agroindustriales, metal mecánicas y mineras como Gloria, Manuelita, Damper, Factoría Fisa, Creditex, Marsa, Minera Horizonte, La Poderosa, Barrick entre otras, que demandan piezas fabricadas con aleaciones no ferrosas, específicamente Cuproaluminios para ser reemplazas en sus diversos tipos de maquinarias o equipos como piñones, guías de desplazamiento, bocinas tornillos sin fin, hélices de bombas, etc. Pero por desconocimiento de sus excelentes propiedades que tienen estas aleaciones, son fabricadas con otro tipo de aleación de manera no adecuada , sin ningún control de los parámetros de proceso como temperatura de colada, humedad del molde, sistemas de alimentación, velocidad de colada, trayendo consigo propiedades mecánicas inferiores disminuyendo la vida de servicio de dichas piezas debido a que fallan prematuramente, perjudicando la economía de las empresas, porque estas piezas casi siempre son importadas o fabricadas en fundiciones de la ciudad capital nos referimos a la ciudad de Lima, ya que las empresas de fundición de la localidad desconocen el método de fabricación de estas aleaciones y sus excelentes propiedades.

3 Con esta investigación se pretende establecer el efecto en el porcentaje de aluminio en una aleación en base cobre (cuproaluminio), coladas en modelo de arena, sobre la contracción volumétrica, contracción sólida, volumen del rechupe, dureza y resistencia al desgaste, con la única finalidad de ayudar a las fundiciones de la zona a conocer las bondades de estas aleaciones y conocer el porcentaje de aluminio adecuado para obtener las mejoras propiedades mecánicas.

1.2. Antecedentes

Hernández (2017), en su investigación en bronces al aluminio en el rango de 4 a 12% de Al, concluye: Que metalográficamente el contenido de aluminio produce microestructuras en el que, al incrementar el contenido de Al, produce una estructura tipo martensita aumentando la microdureza y resistencia al desgaste, las mejores y excelentes propiedades de resistencia al ser sometidas a desgaste para un revenido son a la temperatura de 400 °C. Debido a que se logra obtener fase kappa con disposición tipo martensita y estos también presentan un gran valor de resistencia a la tensión, tal como se presentó para la aleación 7.8% Al obteniéndose un valor máximo de 436 Mpa y para la aleación con contenido de 11.4% Al, que se debería esperar valores altos de resistencia a la tensión no sucedió, porque presentaron problemas de fundición.

Bun y Wilkins (1999), mencionan que las aleaciones cobre-aluminio que constan de hasta aproximadamente 7.5% de Al son aleaciones alfa monofásicas, y aleaciones que contienen entra 7.5 y 11% de aluminio son aleaciones bifásicas formadas por alfa y gamma 2 (α +ϒ2) y que estas aleaciones tienen mucha importancia industrial, porque son dispuestas a tratamiento térmico (temple + revenido) obteniéndose una estructura martensítica semejante al de los aceros, mejorándose considerablemente las propiedades mecánicas y esto gracias a la fase beta (β) que sufre reacción eutectoide a 565°C formando alfa más gamma 2.

Acosta y López (2015), sostienen en su investigación que la contracción volumétrica, rechupes, contracción térmica y la porosidad aumenta a medida que se aumenta diámetro de pieza y la temperatura de colada, en una aleación de aluminio ASM 356 colada en molde de arena. Esto se debe a que el tiempo de solidificación (ts) también aumenta, haciendo que los brazos dendríticos (EBDS) sean más grande con el incremento de la temperatura de colada.

Carranza y Campos (2008), investigaron la relación existente temperatura de colada y espesor de pieza en una aleación de aluminio colada en coquilla, confirman: Que al incrementar la temperatura de colada y espesor de pieza el porcentaje de contracción aumenta y la dureza disminuye. Esto debido que durante la solidificación la aleación experimenta una corrección de altura y diámetro, y esta contracción está determinada por el coeficiente de expansión térmica del metal sólido que es inverso a la contracción, y también que a mayor espesor de pieza el

porcentaje de contracción se incrementa debido a que la fase sólida contiene una alta densidad que la fase líquida y con relación a la dureza esta disminuye con el aumento de la temperatura y espesor de pieza.

Pilcón (2008), concluye: Que las principales causas para la presencia de rechupes en la obtención de piezas fundidas en la empresa Industrial Moreno son el mal diseño del modelo y del molde, y también debido a la falta de control de los parámetros en el proceso tan importantes como la temperatura de fusión y la velocidad de colada de piezas fundidas.

Rosario (1985), resume que frecuentemente se observan en las piezas de fundición gris, aleaciones de cobre y aleaciones de aluminio, la aparición de defectos importantes, como los rechupes y que estos son cavidades que se forman al interior o exterior de las piezas fundidas durante la solidificación, originados por la disminución de volumen que experimenta la aleación líquida durante el enfriamiento hasta su solidificación total debido a la contracción volumétrica

5 producida por la contracción líquida y contracción de solidificación y que para contrarrestar la contracción sólida se debe dar sobre espesores a los modelos.

Echeverria (2002) Manifiesta que, en una pieza superficialmente solidificada, suelen originarse rechupes, al quedar confinado un volumen de aleación líquida en el interior de la pieza; por falta de material líquido para llenar el espacio generado por la contracción de la aleación al solidificarse, produciendo en su seno una cavidad de contracción o rechupes similar a los que ocurre en los lingotes. Y que la estructura producida por el rechupe tiene una estructura dendrítica ramificada y las altas temperaturas de colada pueden intensificar el tamaño del rechupe.

Muñoz y Zavaleta (2011), Se ha demostrado que la contracción interdendrítica, que permite que el líquido pase a través de la red dendrítica hacia la interfaz de solidificación, se produce en espesores pequeños y temperaturas de fundición bajas, donde el tiempo de

solidificación también es breve y las velocidades de enfriamiento son altas. Asimismo, cualquier contracción dendrítica remanente puede ser más fina y distribuida de manera más uniforme, trayendo consigo granos finos y, en consecuencia, valores de contracción más bajos.

Henríquez (2009), Según su estudio sobre "El cobre y sus aleaciones", las características del bronce de aluminio en la mayoría de las aplicaciones comerciales están influidas

principalmente por el porcentaje de aluminio. La estructura cúbica centrada en la cara (FCC) y la fuerte resistencia a la corrosión son dos características de las aleaciones con más del 8% de aluminio. Las estructuras dúplex alfa-beta comienzan a surgir cuando el nivel de aluminio supera el 8%. Las estructuras eutectoides son mucho más vulnerables al asalto en la fase beta que en la fase alfa.

Uantof (2010), en su módulo “Generalidades sobre el cobre y sus usos: Aleaciones de cobre”, mencionan que: los cuproaluminios son aleaciones de cobre y aluminio que incluyen entre un 5 y un 11% de aluminio. Algunas variedades incluyen además manganeso, níquel o hierro. Se distinguen por su gran resistencia a la corrosión, su resistencia a la oxidación en caliente, su buena resistencia mecánica a altas temperaturas, su muy buena resistencia mecánica.

Weil – Coutly (1997), indica que los bronces de aluminio tienen excelentes

características de resistencia al impacto, a la tracción y al alargamiento. Su uso es aceptable hasta los 400°C. También resisten la corrosión de otras sustancias corrosivas como el ácido sulfúrico y la oxidación.

1.3. Marco Teórico

1.3.1. Cobre y sus Aleaciones

En ingeniería el cobre es comúnmente usado en estado puro y en combinación con otros materiales metálicos formando aleaciones. El cobre es un metal FCC y tiene una gran gama de propiedades para la industria como elevada conductividad eléctrica y térmica, elevada resistencia a la corrosión, resistencia media a la tracción, buena soldabilidad, etc. Pero estas propiedades pueden ser superiores con la obtención de aleaciones de cobre, como latones, bronces,

cuproníqueles, que tienen infinidad de usos y aplicaciones en ingeniería. (Smith, 2004, p. 299) Aleaciones de Cobre. Las más importantes son:

1. Latones: aleaciones cobre – zinc.

• Latones alfa () contienen hasta 36% de zinc.

• Latones alfa más beta ( + β) contienen de 54 a 62 % de cobre.

2. Bronces hasta 12% de elemento de aleación.

• Bronces al estaño (aleación Cu – Sn).

7

• Bronces al silicio (aleación Cu – Si).

• Bronces al aluminio o cuproaluminios (aleación Cu – Al).

• Bronces al berilio (Cu – Be).

3. Cuproniquel: Aleación cobre-níquel.

Las aleaciones de cobre se clasifican según un sistema de designación de la Copper Development Association (CDA). En la cual los números correspondientes del C10100 al C79900 designan aleaciones forjadas y los números del C80000 al C99900 se describen para las aleaciones fundidas. La designación de grupos de aleaciones de las principales clases se muestra en la tabla 1. (Smith, 2004, p. 299)

Tabla 1

Designación de aleaciones de cobre. (Sistema: CDA)

Aleaciones para forja

C1xxxx Cobres y aleaciones de elevado contenido de cobre**

C2xxx Aleaciones de cobre-cinc (latones)

C3xxxx Aleaciones de cobre-cinc-plomo (latones al plomo) C4xxxx Aleaciones de cobre-cinc-estaño (latones al estaño) C5xxxx Aleaciones cobre-estaño (bronces fosforosos)

C6xxxx Aleaciones de cobre – aluminio (bronces de aluminio), aleaciones de cobre-silicio (bronces de silicio) y diversas aleaciones de cobre-cinc.

C7xxxx Aleaciones de cobre-níquel y cobre-níquel-cinc (plata de níquel) Aleaciones para fundición

C8xxxx

Cobres para fundición, aleaciones de fundición de cobre alto, latones para fundición de varias clases, aleaciones para fundición de

manganeso-bronce y aleaciones para fundición de cobre-cinc-silicio.

C9xxxx

Aleaciones para fundición de cobre-estaño, aleaciones para fundición de cobre-estaño-plomo, aleaciones para fundición cobre-estaño- níquel, aleaciones para fundición de cobre-aluminio-hierro, y aleaciones de cobre-níquel-hierro y de cobre-níquel-cinc.

Nota. Tomado de Ciencia e Ingeniería de materiales por Smith, 2004, p. 300.

Aleaciones cobre – aluminio o Cuproaluminios.

Los cuproaluminios son bronces donde el aluminio constituye el principal elemento de aleación que es adicionado al cobre. El porcentaje de aluminio de uso industrial en estas

aleaciones está en el rango de 4 a 12%. Para el estudio de estas aleaciones, se utiliza el diagrama de equilibrio cobre – aluminio, que se muestra en la figura 1. Donde se observa las aleaciones cobre hasta 15% aluminio. La máxima solubilidad del aluminio en la solución  solida es aproximadamente del 9.5% a 565 °C. La fase β sufre una reacción eutectoide a 565 °C, para formar la mezcla ( + 2) parecida a la perlita de los aceros.

Figura 1

Diagrama de equilibrio cobre-aluminio que muestra la porción rica en cobre

Nota. Tomado de Introducción a la Metalurgia Física por Avner, 1988, p. 471.

La mayoría de las aleaciones cobre- aluminio o bronces al aluminio industriales

contienen entre 4 y 12% de aluminio. Las aleaciones que contienen hasta 7.5% de aluminio son monofásicas formadas por alfa (α), y las que poseen entre 7.5 y 12% de aluminio son bifásicas formada por alfa (α) y gamma 2 (ϒ2) que pueden estar en estado libre o combinados formando una mezcla eutectoide. Frecuentemente se adicionan a los bronces al aluminio, otros elementos,

9 como el hierro, níquel, silicio y manganeso. El hierro se agrega ente 0.4 a 5%, aumenta la dureza y afina el grano; el níquel hasta 5% tiene el mismo efecto que el hierro, pero no es tan eficiente;

el silicio hasta 2% mejora la maquinabilidad; el manganeso disminuye la formación de defectos en las piezas fundidas al combinarse con gases y a la vez mejora la resistencia.

Los Cuproaluminios monofásicos: Tienen una gran fuerza, una capacidad superior de trabajo en frío y resistencia a la corrosión por el agua y otros ataques químicos de la atmósfera.

Se utilizan en aplicaciones marítimas en tubos de condensadores, componentes trabajados en frío, contenedores resistentes a la corrosión, tuercas, pernos y cubiertas protectoras. (Avner, 1979, p. 471)

Los cuproalunimios o bronces al aluminio bifásicos (α + ϒ2): contienen un porcentaje de Aluminio mayor de 8% sobre 900°C aparece la fase , y se encuentra en una región bifásica (α + β). Sobre 9,5 % de Al aparece la posibilidad de la transformación eutectoide apareciendo la fase γ2, que es dura y frágil. Debido a esto aleaciones con porcentaje de aluminio mayores de 12% casi no tiene importancia industrial.

Si una aleación tiene fase  y es templada rápidamente hasta temperatura ambiente se produce una transformación martensítica similar a la de los aceros, consistente en una fase metaestable de estructura tetragonal conocida como ´. Estos tipos de bronce se utilizan para engranajes, ejes motrices, aletas, piezas para bombas, cojinetes, bujes, herramientas que no formen chispas y dados para estiramiento y formado.

La variación de las propiedades mecánicas de aleaciones cobre – aluminio o

cuproaluminio en función del porcentaje de aluminio en una aleación base cobre, se muestra en la figura 2. Se observa que la tensión máxima y la elongación (ductilidad) aumentan desde 0 hasta 8% de Al, pero a porcentajes mayor de aluminio, la tensión máxima sigue aumentando,

pero la elongación disminuye rápidamente, debido a la fase  que también aumenta. Estas aleaciones son aptas para trabajo en caliente y la soldadura. (PUC, 2012, p. 160)

Figura 2

Efecto del porcentaje de aluminio en las aleaciones cobre aluminio sobre las propiedades mecánicas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Porcentaje de Alumini o

Esfu erzo a Tensi ón 80

75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Elongación

Esfu erzo a Tensi ón en ton/in² y % Elongación

Nota. Tomado de Cobre y sus aleaciones por PUC, 2012. P. 160 Características de los Bronces al aluminio y Aplicaciones.

La adición de aluminio a las aleaciones da lugar a la formación de un óxido protector que reacciona con el oxígeno atmosférico para formar una fina capa superficial y resistente de

alúmina (Al2O3) que actúa como barrera contra la corrosión de la aleación rica en cobre, lo que confiere a los bronces de aluminio una mayor resistencia a la corrosión que los bronces de fósforo. Estos bronces no se corroen fácilmente con diversos ácidos orgánicos, ácidos minerales no oxidantes, soluciones de cloruro o soluciones de potasa. Debido a su mayor tolerancia a las condiciones alcalinas, se emplean ampliamente en las industrias de la pulpa y el papel. En las

11 industrias de la pulpa y el papel, en autoclaves para ácidos grasos y en condiciones marítimas, el bronce de aluminio se utiliza en tuberías, bombas, válvulas, tanques, ejes y otros componentes.

(Mangonon, 2001, p. 591)

Otra notable característica de los bronces al aluminio es su efecto biostático, el componente aluminio en la aleación de cobre previene la colonización al gas, líquenes y mejillones y por lo tanto puede ser mejor que aceros inoxidables y otras aleaciones no cúpricas en donde se desea prevenir tal colonización. (Wikidia, 2013)

Los bronces al aluminio tienen un color similar al oro, debido a esta propiedad, su resistencia a la corrosión y a su baja contracción se utiliza en orfebrería.

Comparación entre Bronces y Aceros.

Las películas se desarrollan, pero a pesar de ello, no se oxidan por debajo de la superficie, lo que las hace más frágiles y con un punto de fusión más bajo. Con la excepción de los

compuestos de aluminio y sílice, son alrededor de un 10% más pesados que el acero. Al ser también menos rígidos, pueden almacenar menos energía en aplicaciones elásticas como los muelles que los equivalentes de acero. Son mejores conductores del calor y la electricidad, resisten la corrosión, incluso la de origen marino, y el umbral de fatiga del metal es menor con ellos. La ausencia de chispa cuando se golpea contra superficies duras es otra distinción entre las aleaciones de bronce y el acero. Este activo se ha utilizado para crear martillos, masas,

herramientas ajustables y otros artículos para su uso en entornos potencialmente explosivos o inflamables.

Las aleaciones de aluminio de alta resistencia (Al – Cu) su principal aplicación es en aeronaves, misiles y en la industria aeroespacial en general, como así también en accesorios y tanques líquidos y combustibles de oxígeno. (Gustavo, 2013, p. 7)

1.3.2. Proceso de Fundición

El molde es el punto de partida del proceso. La forma del componente que se va a fundir viene determinada por la geometría de una cavidad dentro del molde. Para tener en cuenta la contracción del metal durante la solidificación y el enfriamiento, la cavidad debe construirse con una forma y un tamaño un poco mayores. La arena, el yeso, la cerámica y el metal son algunos de los materiales utilizados para fabricar los moldes. Los distintos tipos de moldes se utilizan casi habitualmente para clasificar los procedimientos de fundición.

El metal o la aleación se calienta durante todo el proceso de fundición a una temperatura superior a su punto de fusión hasta que es totalmente líquido, y luego se vierte directamente en la cavidad del molde. La transición de fase de líquido a sólido, conocida como solidificación, se inicia cuando la temperatura cae por debajo de la temperatura de liquidus, y se detiene cuando la temperatura cae por debajo de la línea de solidus. Según el tipo de molde utilizado, los métodos de fundición se dividen en dos grandes categorías: 1) Utilización de un molde desechable y 2) Utilización de un molde permanente para la fundición (coquilla).

Fundición con molde desechable (no permanente).

La fundición en moldes de arena es el proceso de fundición más importante. Se usará un molde de fundición de arena.

13 Figura 3

Formas de moldes

Nota. (a) molde representando la parte de fundición; y (b) molde cerrado de forma más compleja, requiere un sistema de alimentación conectado con la cavidad. Tomado de Groover, 1997, p.

268.

La figura 3 (b), exhibe la vista de la sección transversal típica de un molde para fundición en arena. El molde se distribuye en dos dos mitades: Semi-caja superior y la semicaja inferior.

Los dos están contenidos en la caja de molde, las dos mitades del molde están separadas por el plano de separación.

Aquí la cavidad del molde, se forma mediante un modelo de madera, metal, plástico u otro material, que tiene la forma de la pieza a fundir. La cavidad se forma al recubrir el modelo de ambas cajas con arena en partes iguales de manera que al renovar el modelo quede un vació que tenga la forma de la pieza a fundir. El modelo se sobredimensiona (sobreespesores) para permitir la contracción del metal, cuando este se solidifica y enfría. La arena de moldeo puede ser arena sílice (SiO2) más 6% de bentonita.

El sistema de canales de alimentación en un molde de fundición donde fluye el metal fundido hacia la cavidad interior del del molde, como se muestra en la figura 3 consta de un bebedero de colada a través del cual entra el metal a un canal de alimentación que conduce el

metal líquido hacia el interior del molde. En la parte superior del bebedero una cubeta de vaciado (copa), para evitar la salpicadura y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero.

En una fundición cuando la contracción es alta, se requiere además del sistema de colada una mazarota ubicada a la cavidad principal. La mazarota o alimentador, es un reservorio de metal líquido que sirve para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación para evitar los rechupes. Con la finalidad de que la mazarota trabaje adecuadamente la

solidificación tiene que ser direccional; en primer lugar, debe solidificar la pieza, seguidamente el neck o cuello y por último la mazarota (Groover, 1997, p. 268)

Parámetros en el proceso de fundición.

a. Calentamiento.

Para calentar el metal hasta la temperatura necesaria se pueden utilizar diferentes tipos de reactores de fusión (hornos), dependiendo del tipo de metal o aleación que haya que fundir, su calidad y el volumen que haya que generar. La cantidad total de calor requerida incluye el calor necesario para fundir el metal sólido, el calor de fusión para convertirlo en líquido y el calor necesario para elevar el metal fundido hasta el punto de fusión. vaciado. Esto se puede expresar como:

𝐻 = 𝜌𝑉[𝐶_𝑠(𝑇_𝑚− 𝑇₀) + 𝐻_𝑓+ 𝐶_𝑙(𝑇_𝑝− 𝑇_𝑚)]

Donde:

H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión [J]

ρ= Densidad [kg/m]

Cs = Calor específico del metal sólido [J/kg °C]

Tm= Temperatura de fusión del metal [°C]

T0 = Temperatura inicial, generalmente la ambiente [°C]

15 Hf = Calor de Fusión [J/kg]

Cl = Calor especifico del metal líquido [J/kg °C]

Tp = Temperatura de vaciado [°C]

V = Volumen del metal que se calienta [m]

La aleación se ha fundido y ahora está lista para ser fundida. Una fase crucial del

procedimiento es el vertido del metal fundido en el molde y su flujo hacia el sistema de vertido y el hueco. Para que esto funcione, el metal debe fluir por todas las zonas del molde antes de endurecerse, incluida la cavidad principal, que es la zona más crucial.

La temperatura de colada, la velocidad de colada y la turbulencia son las variables que influyen en el proceso de colada. La temperatura del metal fundido cuando se vierte en el molde se conoce como temperatura de vertido (también llamada temperatura de proceso).

Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de colada y temperatura a la que empieza la solidificación, esto se llama sobrecalentamiento. (Groover, 1997, p. 245)

Efecto del sobrecalentamiento.

El recalentamiento, un factor de fluidez crucial, es la diferencia entre la temperatura de liquidus y la temperatura de colada. Para una aleación determinada, la fluidez aumenta cuando se incrementa el recalentamiento. Se ha observado que existe una relación lineal entre el aumento de la fluidez y el aumento del recalentamiento (temperatura de colada). Esto se debe a que el desarrollo y el crecimiento de los granos sólidos se retrasan como consecuencia del aumento del recalentamiento. Esto provoca pérdidas de fluidez a partir de temperaturas de recalentamiento muy elevadas (entre 100 y 150°C), tal vez como consecuencia del aumento de las turbulencias.

b. Vaciado.

Tras la fusión, el material está listo para ser vertido. Una fase crucial del procedimiento es la entrada del metal fundido en el molde y su flujo hacia el sistema de vertido y la cavidad.

Para que esto funcione, el metal debe fluir por todas las zonas del molde antes de endurecerse, incluida la cavidad principal, que es la zona más crucial.

La temperatura, el ritmo y la turbulencia del proceso de vaciado son aspectos que influyen en él.

La temperatura del metal fundido cuando se vierte en el molde se conoce como temperatura de vertido (también llamada temperatura de proceso). La diferencia entre la temperatura de vertido y la temperatura a la que comienza la solidificación -también conocida como recalentamiento- es crucial en esta situación.

La velocidad volumétrica a la que se vierte el metal fundido en el molde se denomina velocidad de vertido. El metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad si el ritmo es demasiado lento. La turbulencia y la contracción pueden convertirse en un problema grave si la velocidad es demasiado alta.

Cuando un fluido se agita, produce corrientes irregulares en lugar de fluir de forma laminar, que es lo que se conoce como turbulencia de flujo. El flujo turbulento debe evitarse por lo siguiente:

o Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación.

o La turbulencia también acelera la erosión del molde, que es el desgaste gradual de la superficie del molde debido al impacto del flujo del metal fundido.

17 c. Solidificación.

La solidificación implica el paso del metal líquido al estado sólido. El proceso de solidificación se diferencia, dependiendo si el metal es una aleación o elemento puro.

Solidificación de aleaciones en general: Las aleaciones solidifican en varias secciones de temperaturas en lugar de una temperatura única. El rango exacto depende del sistema de aleación y de su composición particular. La figura 4 muestra el diagrama de fases de una aleación cobre- níquel y la solidificación de una aleación 50 %Cu – 50 %Ni.

Figura 4

(a) Diagrama de equilibrio para un sistema de aleación cobre-níquel y (b) curva de enfriamiento asociada para una composición 50%Cu -50%Ni, durante la solidificación

Nota. Tomado de Fundamentos de manufactura moderna por Groover, 1997, p. 250.

Conforme desciende la temperatura, inicia la solidificación a la temperatura liquidus y termina cuando se alcanza la línea solidus. En el inicio de la solidificación se constituye una película delgada en la pared del molde debido a un alto gradiente de temperatura. La

solidificación se propaga, mediante la formación de dendritas alejadas de las paredes del molde.

Y debido a la propagación de la temperatura entre liquidus y solidus, el crecimiento de las

dendritas, forma una zona intermedia donde el metal sólido y el líquido coexisten. El sólido está constituido por estructuras dendríticas que han crecido lo suficiente y han atrapado en la matriz pequeñas regiones de líquido. La región sólida – líquido es suave, conocida como zona blanda.

La zona blanda puede ser bastante pequeña o puede ocupar la mayor parte de la colada, dependiendo de las circunstancias de enfriamiento. La lenta transmisión de calor del metal calentado o un gran diferencial entre el liquidus y el solidus son factores que favorecen esta última situación. A medida que la temperatura de fusión desciende hasta la temperatura de solidus adecuada a la composición de la aleación, las zonas líquidas de la matriz dendrítica se solidifican progresivamente.

La composición de las dendritas, que inicialmente son preferidas por el metal con mayor punto de fusión, es otro aspecto que dificulta la solidificación de las aleaciones. Las dendritas se expanden a medida que el metal continúa solidificándose, creando un desequilibrio entre la composición del metal sólido y el metal líquido restante. La segregación, que puede ser microscópica o macroscópica, es lo que constituye este desequilibrio composicional.

En la figura 5 se muestra una segregación general en toda la sección transversal de la colada, comúnmente llamada segregación de lingotes. A nivel macroscópico, las zonas de la colada que se endurecieron primero (cerca de las paredes del molde) son más ricas en un componente que en otro. (Askeland, 206, p. 375)

19 Figura 5

Macroestructura de una pieza fundida durante la solidificación de una aleación

Nota. Tomado de Ciencia e ingeniería de los materiales por Askeland, 2006, p. 375.

Mecanismos de crecimiento.

Después de que la fase líquida se transforme en núcleos sólidos. A medida que los átomos adicionales se unen a la superficie del sólido, comienza el crecimiento. La forma en que se extrae el calor de la aleación líquida determina la forma de los núcleos sólidos que se forman.

Tanto el calor específico del líquido en este caso como el calor latente de fusión (ΔHf) deben ser eliminados a lo largo del proceso de solidificación. Antes de que el líquido pueda descender a su temperatura de solidificación, o de la temperatura de colada a la temperatura a la que se inicia la nucleación, el calor específico debe eliminarse primero, ya sea por radiación al entorno local o por conducción al molde circundante.

Sabemos que el calor, también conocido como calor latente de fusión (ΔHf), es necesario para fundir un sólido. Para que la solidificación sea completa, este calor de solidificación debe ser eliminado del contacto sólido-líquido. El proceso de desarrollo del sólido y la estructura final de una pieza sólida dependen de cómo se elimine el calor latente de fusión. Los mecanismos de crecimiento son:

Crecimiento planar. No es necesario sub enfriar un líquido bien inoculado mientras se enfría en circunstancias de equilibrio, ya que puede producirse una nucleación heterogénea. En este caso, la temperatura del líquido en la interfaz sólido-líquido es superior a la temperatura de solidificación. La temperatura del sólido es igual o inferior a la temperatura de solidificación. La conducción desde el límite sólido-líquido elimina el calor latente de fusión durante la

solidificación. Cualquier pequeña protuberancia que comience a desarrollarse en el contacto es rodeada por el líquido que se está solidificando a una temperatura más alta. La expansión de la protuberancia se detiene entonces hasta que alcanza el resto de la interfase (figura 6). A este mecanismo de crecimiento se llama mecanismo plano, y ocurre por el movimiento de una intercara solido – líquida plano hacia el líquido. (Askeland, 2006, p. 367)

Figura 6

Crecimiento planar

Nota. Se observa que la temperatura del líquido es mayor que la temperatura de solidificación, el calor latente de fusión (ΔHf) se excluye de la intercara a través del sólido. Fuente: Askeland, 2006, p. 367.

Crecimiento dendrítico. El líquido tiene que estar subenfriado para que se forme el sólido cuando la nucleación es insuficiente o inexistente (figura 7). Debido al subenfriamiento del

21 dendrita que se desarrolla en el contacto se hace más grande en estas circunstancias. La

temperatura del líquido sobreenfriado aumenta acercándose a la temperatura de solidificación a medida que la dendrita sólida se expande debido a la transferencia del calor latente de fusión al líquido. Para acelerar la liberación del calor latente, también se pueden generar brazos

dendríticos secundarios y terciarios en las ramas primarias. Hasta que el líquido sobre enfriado se calienta hasta la temperatura de solidificación, el desarrollo dendrítico persiste.El líquido

sobrante experimenta entonces un crecimiento planar para convertirse en sólido. Los numerosos sumideros del calor latente de fusión acentúan la distinción entre los crecimientos dendríticos y los planos. Mientras que el líquido subenfriado absorbe el calor en el crecimiento dendrítico, el molde lo hace en el crecimiento plano. (Askeland, 2006, p. 367-368)

Figura 7

Crecimiento dendrítico

Nota. (a) Si el líquido esta subenfriado, se forma dendritas, el calor latente de fusión se elimina elevando la temperatura del líquido hasta la temperatura de solidificación. (b) Dendrita. Tomado de Ciencia e ingeniería de los materiales por Askeland, 2006, p. 367.

En metales puros y aleaciones, el crecimiento dendrítico representa, normalmente, solo una pequeña fracción del crecimiento total y se determina con la ecuación:

𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑑𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 (𝑓) =𝐶. ∆𝑇

∆𝐻_𝑓 Dónde:

C: calor especifico del líquido, ∆𝑇: subenfriamiento, ∆𝐻_𝑓: Calor latente de fusión.

El numerador representa el calor que puede absorber el líquido subenfriado. Y denominador (∆𝐻_𝑓) represente el calor total que se debe retirar durante la solidificación. Al aumentar el subenfriamiento (ΔT) existe más crecimiento dendrítico y si el líquido está bien inoculado ΔT en casi cero. Y el crecimiento sería por el mecanismo planar.

Tiempo de solidificación (ts) y tamaño de dendrita.

El ritmo de enfriamiento o, más concretamente, el ritmo de eliminación del calor

determina la rapidez con la que crece el sólido. Una solidificación rápida o veloz es el resultado de una mayor tasa de expansión. El tiempo necesario para que un componente se solidifique por completo está influido por el tamaño y la forma de la pieza fundida. La siguiente es la regla de Chvorinov, que puede utilizarse para calcularla:

𝑡_𝑠 = 𝐵 (𝑉 𝐴)

𝑛

Donde:

V: Volumen de la pieza, representa la cantidad de calor que se debe eliminar para que haya solidificación.

A: Superficie de la pieza en contacto con el molde, representa la superficie desde la cual se puede disipar el calor de la pieza.

N: Es una constante generalmente 2.

23 B: es la constante de molde, depende de las propiedades y las temperaturas iniciales tanto del metal como del molde.

La solidificación inicia en la superficie, donde el calor se disipa hacia el material del molde que lo rodea. La velocidad de solidificación de una pieza puede describirse por la rapidez que crece el espesor de la cascara solidificada.

𝑑 = 𝐾𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛√𝑡 − 𝐶_𝐿

Donde: t: es el tiempo después de vertido, Ksolidificación: es una constante para determinado material y molde de la pieza y CL: Es una constante relacionada con el tiempo de vertido.

Efecto de la estructura y las propiedades.

El tiempo de solidificación (ts) afecta el tamaño de las dendritas, normalmente, el tamaño de una dendrita se evalua midiendo la distancia entre brazos dendríticos secundarios (EBDS).

Figura 8, se reduce cuando la pieza solidifica con mayor rapidez, la dendrita es más fina y más extendida funciona como un conductor más eficiente del calor latente hacia el líquido

subenfriado. (Askeland, 2006, p. 370) Figura 8

(a) distancia entre brazos dendríticos secundarios (EBDS). (b) Dendritas en una aleación de aluminio 50X

Nota. Tomado de Ciencia e ingeniería de los materiales por Askeland, 2006, p. 370.

Este EBDS se relaciona con el tiempo de solidificación con la ecuación:

𝐸𝐵𝐷𝑆 = 𝐾. 𝑡_𝑠^𝑚

Dónde: m y k son constantes que dependen de la composición del metal.

Esta relación se muestra en la figura 9 para diversas aleaciones.

Figura 9

Efecto del tiempo de solidificación sobre las distancias entre brazos dendríticos secundarios en el cobre, zinc y aluminio

Nota. Tomado de Ciencia e ingeniería de los materiales por Askeland, 2006, p. 370.

Las distancias pequeñas entre brazos secundarios de dendrita se relacionan con mayor resistencia y mejore ductilidad según figura 10.

25 Figura 10

Efecto de la distancia entre brazos dendríticos secundarios sobre las propiedades de una aleación colada de aluminio

Nota.Tomado de Ciencia e ingeniería de los materiales por Askeland, 2006, p. 370 1.3.3. Contracción y su Mecanismo

Durante el enfriamiento y la solidificación la contracción ocurre en tres etapas: 1)

Contracción líquida o contracción del metal en estado líquido, durante el enfriamiento antes de la solidificación, 2) Contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido llamada contracción de solidificación, y 3) Contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.

Hay importantes cambios de volumen que se producen junto con la solidificación del metal o la aleación. La contracción o cavidad de hundimiento se crea en la pieza a medida que el metal se solidifica gradualmente y el grosor de la capa crece hacia el interior de la superficie de la fundición.

Varios factores, entre ellos el cambio de volumen inducido por la transición de fase, los modos de solidificación de la aleación, los huecos creados por la contracción y el proceso de solidificación dirigida, afectan o contribuyen de un modo u otro al proceso de contracción.

Cambio de volumen durante la transición de fase: Las diferentes transiciones en el metal sólido, que se producen a la temperatura de solidificación o por debajo de ella, van seguidas de cambios de volumen específicos. Una zona del metal experimenta cambios mientras que otra no lo hace a lo largo del proceso de enfriamiento. Las tensiones de fase, que pueden provocar deformaciones u ocasionalmente roturas, son provocadas por las diferencias de volumen entre las fases. Los defectos de fundición, como las cavidades, las porosidades de contracción y las

tensiones térmicas, se deben a la contracción de las piezas fundidas.

Según la figura 11, se explican las tres etapas de la solidificación utilizando una colada cilíndrica.

Figura 11

Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento

27 Nota. Tomado de Fundamentos de manufactura moderna por Groover, 1997, p. 252.

La parte 0 de la serie muestra el metal fundido justo después del vertido. La altura del líquido desciende desde su nivel original, como se ve en (1) de la Fig. 11, debido a la contracción del metal líquido mientras se enfría desde la temperatura de vertido hasta la de solidificación.

Esta contracción del líquido suele ser del 0,5% o menos. La contracción de solidificación se observa en la parte 2 y tiene dos efectos: en primer lugar, hace que la altura de la colada se reduzca aún más. En segundo lugar, se limita la cantidad de metal líquido que puede utilizarse para alimentar el centro superior de la colada. Como no hay metal en esta zona, se crea un vacío que se denomina sumidero. Una vez que la pieza fundida se ha endurecido, sigue encogiendo al enfriarse, un proceso conocido como contracción térmica o de los sólidos. El coeficiente de dilatación térmica del metal macizo, que en este caso se utiliza a la inversa para calcular la contracción, determina esta contracción. (Groover, 1997, p. 252)

1.3.4. Ensayo de Dureza

Determina la facilidad de penetración de una sustancia en su superficie. Dependiendo de la situación, puede representar la resistencia del metal a la penetración o al rayado, así como un indicador cualitativo de dicha resistencia.

Durante el ensayo de dureza Rockwell se empuja un indentador con forma de cono o una esfera diminuta (de 1/16 o 1/8 de pulgada de diámetro) contra la muestra, y se utiliza un peso inferior a 10 kg para asentar el indentador en el material, tras lo cual se aplica un peso superior a 150 kg (u otra cantidad) para que el indentador perfore la muestra un poco más de lo que lo hizo inicialmente. La figura 12 describe el proceso. (Groover, 1997, p, 58)

Figura 12

Método de ensayo de dureza Rockwell

Nota. Tomado de Fundamentos de manufactura moderna por Groover, 1997, p. 58.

1.3.5. Desgaste

Es el resultado de la fricción. Supone el desprendimiento gradual de partículas de una superficie. Hay muchos casos de desgaste en los procesos de fabricación, la mayoría de los cuales son desfavorables: erosión de los moldes de fundición, desgaste de las matrices en diversos procedimientos de conformación de metales, desgaste de las herramientas de mecanizado de metales (brocas), etc. El desgaste adhesivo, la abrasión, la oxidación y otras reacciones químicas y la difusión son algunos de los diversos tipos de mecanismos de desgaste que pueden producirse en función de las circunstancias mecánicas.

Desgaste adhesivo. Ocurre cuando dos superficies sólidas se deslizan una contra otra bajo presión y a veces se denomina rayado, deslizamiento, ludimiento o unión. Debido a las altas

29 presiones localizadas, las proyecciones de la superficie, o asperezas, se distorsionan

plásticamente y acaban soldándose entre sí, véase la figura 13. Estas uniones se rompen a medida que avanza el deslizamiento, dejando agujeros en una superficie y proyecciones en la otra, a veces también menores.

Figura 13

Degaste adhesivo: (a) adhesión de asperezas; (b) rotura de las uniones por adhesión para formar partículas de desgaste

Nota. Tomado de Fundamentos de manufactura moderna por Groover, 1997, p. 103.

Cuando se intenta aumentar la resistencia al desgaste de un material, hay que tener en cuenta varias cosas. Si se diseñan componentes con cargas mínimas, superficies lisas y lubricación constante siempre que sea posible, se puede minimizar el desgaste adhesivo que provoca la pérdida de material.

También son importantes la microestructura y las características del material.

Normalmente, la tasa de desgaste disminuye si ambas superficies tienen una dureza elevada.

Puede ser ventajoso tener una alta resistencia para soportar las cargas aplicadas, así como suficiente tenacidad y ductilidad para evitar el desgarro del material de la superficie. (Groover, 1997, p. 103)

1.4. Problema

¿Cómo afecta el porcentaje de aluminio en el rango de 4 a 15% en una aleación base cobre colada en molde de arena, sobre la contracción volumétrica, contracción sólida, volumen del rechupe, dureza y resistencia al desgaste?

1.5. Hipótesis

• Al incrementar el porcentaje de aluminio en el rango de 4 a 15% en una aleación base cobre colada en molde de arena, aumenta la contracción volumétrica, contracción térmica y el volumen del rechupe.

• El incremento del porcentaje de aluminio en una aleación base cobre en el rango de 4 a 15%, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste debido a la modificación de sus fases y a la aparición de la fase gamma 2 (2).

1.6. Objetivos

1.6.1. Objetivo General

Evaluar el efecto del porcentaje de aluminio en el rango de 4 a 15% sobre la contracción volumétrica, contracción térmica, volumen del rechupe, dureza y resistencia al desgaste.

1.6.2. Objetivos específicos

• Determinar como el porcentaje de aluminio en el rango de 4 a 15% en la aleación base cobre afecta las propiedades en estudio.

31

• Evaluar los porcentajes de aluminio en estudio en la aleación base cobre sobre la

contracción volumétrica y contracción térmica, para caracterizar el volumen del rechupe en la probeta (lingote)

• Relacionar el efecto del porcentaje de aluminio en la obtención de las aleaciones base cobre o cuproaluminio, con la microestructura obtenida de las aleaciones en estudio.

• Construir graficas que permitan analizar el efecto del porcentaje de aluminio en una aleación base cobre sobre las variables en estudio.

CAPITULO II Materiales y Métodos 2.1. Material de Estudio

Para esta investigación se utilizó las aleaciones cobre – aluminio (cuproaluminio), con 4, 7, 10, 12 y 15 % aluminio, colada en molde de arena. Estas aleaciones se obtuvieron fundiendo a las proporciones adecuadas el cobre electrolítico (ASM C10100) y aluminio comercialmente puro.

• Propiedades de los elementos de Aleación cobre - aluminio Tabla 2

Composición química del aluminio comercialmente puro

Elemento Al Si Cu Otros

% 99.68 0.08 0.02 0.22

Nota. Adaptado de Enciclopedia del aluminio por Barrand y Gadean, 1994, p. 62 Tabla 3

Composición química del cobre ASM C10100

Elemento Cu Otros

% 99.82 0.28

Nota. Adaptado de ASM Handbook. Vol. 2. p. 910.

• Propiedades mecánicas y físicas Tabla 4

Propiedades mecánicas y físicas del aluminio puro comercial Punto de

fusión (°C)

Resistencia a la tracción (MPa)

Resistencia a la fluencia (MPa)

Alargamiento

(%) Dureza (HB)

660 66.0 32.0 41.0 22.0

Nota. Adaptado de Enciclopedia del aluminio por Barrand y Gadean, 1994, p. 121

33 Tabla 5

Propiedades mecánicas y físicas del cobre ASM C10100.

Punto de fusión (°C)

Resistencia a la tracción (MPa)

Resistencia a la fluencia (MPa)

Alargamiento (%)

Dureza (HB)

1085 234.0 68.0 44.0 44.0

Nota. Adaptado de ASM Handbook. Vol. 2. p. 911.

2.1.1. Muestra

• Para el ensayo de contracción

Para evaluar la contracción volumétrica, contracción térmica o sólida y el volumen del rechupe, se utilizaron pequeños lingotes, cuya geometría y especificaciones se muestran en la figura 14.

Figura 14

Modelo para la obtención del lingote de aleaciones cobre - aluminio para la evaluación de las respectivas contracciones

Ø 45

Ø 50

50

U.M.: mm.

• Para el ensayo de dureza:

Las probetas para la evaluación de la dureza fueron cilíndricas según la norma ASTM E- 10, de diámetro 15mm x 20 mm de altura, según figura 15. Estas servirán también para el análisis metalográfico.

Figura 15

Probeta para el ensayo de dureza Brinell, según la norma ASTM E 10 - 18.

• Para el ensayo de desgaste

Para la elaboración de probetas para el ensayo de desgaste se fundieron discos de diámetro exterior de 40 mm, diámetro interior de 16 mm y 15 mm de espesor, según figura 16.

Figura 16

Modelo del disco en la obtención de las probetas para el ensayo de desgaste

40

16 UM: mm

15 Ø15.0

0

Ø15.0 0 20.00

U.M.: mm

35

• Probeta para el ensayo de desgaste

Las probetas se maquinarán de las piezas en forma de disco (figura 2.3), se aplicó el método de desgaste adhesivo seco deslizante (contacto plano – cilindro), según la norma ASTM G-77, con medidas y especificaciones que se muestran en la figura 17.

Figura 17

Geometría de probeta para el ensayo de desgaste según norma ASTM G-77.

10

Ø35

U.M . : mm Ø20

2.2. Equipos, Instrumentos, Reactivos y Materiales consumibles 2.2.1. Equipos

• Para fusión de aleaciones cobre – aluminio

- Horno eléctrico tipo mufla: 5Kw. Temp. 0 - 1200°C.

- Termocupla tipo K - Porta crisol, tenazas

• Para preparación de molde de arena - Arena sílice

- Bentonita 6%

- Modelo de madera para la obtención de lingote

- Modelo de madera de disco para la obtención de probetas de desgaste

- Caja de moldeo de madera.

• Para desgaste

Dispositivo para el ensayo de desgaste: En laboratorio de Máquinas Herramientas de la Escuela de Ingeniería Mecánica. Que consta de lo siguiente:

- Torno Mhasa 3HP, 220V de 0 hasta 900 RPM - Desgastador: Pastilla de carburo de tungsteno - Balanza analítica

• Para contracción

- Vernier digital Trupper 6 pulgadas

- Modelo de madera para la obtención de lingote

• Para ensayo de dureza

- Durómetro digital universal Time Group 187.5

• Para el análisis metalográfico

- Máquina cortadora de probetas

- Microscopio Metalográfico Leica de 50 a 1000X - Cámara fotográfica canon S 85 de 8MPX

2.2.2. Instrumentos

- Pirómetro digital Shimaden 0 – 1200°C - Termocupla Tipo K.

- Cronómetro digital Citizen.

2.2.3. Reactivos y materiales consumibles - Lingotes de cobre electrolítico.

- Lingote de aluminio comercialmente puro.

37 - Reactivos para fusión de aleación: Cúprex 500, logas 50, desgaser, coveral 190 - Alcohol 90° y algodón, agua destilada.

- Franela y pana.

- Resina epóxica para encapsulado de probetas.

- Papel abrasivo: 100, 220, 320, 400, 600, 1000.

- Alúmina (abrasivo): 1, 0.5 y 0.3 µm.

- Reactivo de ataque químico: hidróxido de amonio y peróxido de hidrógeno.

- Resistencia eléctrica Ocral de 2.0 mm de diámetro.

2.3. Métodos y Técnicas 2.3.1. Modelo experimental

En esta investigación se utilizó el diseño unifactorial, con 5 niveles para la variable independiente y 3 réplicas. Se considera las siguientes variables:

• Variables independientes:

- Porcentaje de aluminio (%): 4 – 7 – 10 – 12 – 15.

• Variables dependientes:

- % de contracción volumétrica - % de contracción térmica - Volumen del rechupe

- Dureza: Escala Brinell (HB).

- Resistencia al desgaste (mg).

• Variables parametrizadas:

- Temperatura de colada: 1150°C

- Temperatura del molde de arena: 25°C.

- Velocidad de rotación en la prueba de desgaste: 350 RPM - Tiempo de desgaste 30 minutos

El número de probetas se calculó siguiendo la siguiente relación:

P= N^m x R Donde:

P= n ° de probetas

N = Niveles de variable independiente m = factores o variables independientes R= número de repeticiones

Entonces el número de probetas será:

(P) = 5¹ x 3 = 15 probetas

Se usaron 15 probetas (lingotes) para evaluar la contracción volumétrica, contracción térmica y volumen del rechupe, 15 probetas para el ensayo de desgaste y 15 probetas para el ensayo de dureza las mismas que servirán para el análisis microestructural.

Al total de probetas se le hará un análisis de resultados de acuerdo al modelo matricial de un solo factor según la tabla 6 y siguiendo el orden de datos de acuerdo a la tabla 7.

Tabla 6

Modelo matricial de un solo factor para análisis de resultados Porcentaje de

aluminio (%)

Observaciones

1 2 3

P1 P11 P12 P13

P2 P21 P22 P23

P3 P31 P32 P33

P4 P41 P42 P43

P P P P