UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERÍA PROCESOS Escuela Profesional de Ingeniería Metalúrgica
Guía de Practicas
Metalografía y Microscopia Electrónica Practica Nº 4
Caracterización de Microestructuras de aleaciones no ferrosas 1 Guía de prácticas/Metalografía y Microscopia Electrónica/2015 - Nº 4
Ing. Juan Manuel Jara Gonzales U.N.S.A.
2016
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA
Preparación de Muestras Metalográficas 1.Objetivos: Al concluir con la guía de prácticas número cinco el alumno será capaz de identificar las microestructuras de los principales metales no ferrosos y sus aleaciones. Las más usuales y de uso industrial que tocaremos con más ahínco serán el bronce y los latones. 2.Introducción: Al iniciar el estudio de microestructuras de los metales no ferrosos y sus aleaciones debemos de conocer que es un metal y sus aleaciones y que tipo de fases se constituyen. En los metales y aleaciones se encuentran tres tipos de fases cristalinas: Cristales de metal puro; que se presentan en la solidificación de los metales puros. Soluciones sólidas; que se encuentran en las aleaciones, es decir una fase de solución sólida, retiene el arreglo del metal base o solvente donde se incorporan por sustitución o intersticialmente átomos de otro metal o soluto. La microestructura de una solución sólida aparece como la del metal puro o sea granos poliédricos, aunque algunas veces los cristales de solución sólida pueden aparecer heterogéneos en su composición química y en su forma. Compuestos químicos; En muchas aleaciones aparecen compuestos intermetálicos de composición fija o con un rango de composición con arreglos atómicos diferentes a los del metal base y por eso sus propiedades son diferentes a los de los metales constituyentes. Desde el punto de vista del comportamiento de las aleaciones binarias, pueden clasificarse en dos grupos: Solubilidad total, en la cual cada aleación del sistema de aleación es una solución sólida. Solubilidad parcial en estado sólido, donde cada metal disuelve una cantidad limitada del otro, así en el rango intermedio del sistema de aleación se presenta una mezcla de dos soluciones sólidas. Pueden formarse uno o más compuestos, en este caso se presentarán mezclas de solución sólida y de compuesto intermetálico dependiendo de la reacción que ocurra durante la solidificación o el trabajo del metal o en el tratamiento térmico posterior. Cuando una aleación contiene dos o más fases, existen límites definidos entre las fases, denominándose límites de fases, diferentes a los límites de grano que son las superficies de unión de los granos de la misma fase, las microestructuras que contienen más de una fase, el ataque las revela de diferente forma, dependiendo del reactivo de ataque. En el análisis de la microestructura, es importante observar el tamaño, la forma y la distribución de todos los micro constituyentes o fases presentes . Hay que 2 Guía de prácticas/Metalografía y Microscopia Electrónica/2015 - Nº 4
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recordar que la microestructura de un metal o aleación, existe en tres dimensiones mientras que la superficie de observación representa un campo en dos dimensiones hecho que se debe tener en cuenta en la interpretación de la geometría de cualquier microestructura.
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Aleaciones Bronces. Denominamos bronce a las aleaciones de cobre y estaño con contenidos de Sn del 2 al 25 %. Frecuentemente estas aleaciones contienen otros elementos como el plomo o el cinc, lo cual permite dividirlas en bronces binarios y bronces complejos los que tienen tres o más elementos. Aleaciones de cobre y aluminio frecuentemente denominadas bronces al aluminio se describen aparte bajo la denominación de cuproaluminios.
Aleaciones de Cobre –Estaño (CuSn6) La aleación de bronce CuSn6 tiene muy buenas propiedades mecánicas y químicas. Esta aleación binaria está compuesta por cobre en aleación con un 6% de estaño. Las ventajas de esta aleación incluyen una muy alta resistencia a la corrosión y buena soldabilidad. En alambre de Bronce CuSn6 puede ser usado en un amplio rango de aplicaciones electrotécnicas, tales como los termo elementos. El alambre de Bronce CuSn6 se encuentra disponible como alambre unifilar en todos los tipos de aislantes y esmaltes auto soldables. Características: Muy buenas propiedades mecánicas Buen desempeño en prueba de maleabilidad Muy alta resistencia a la corrosión Aplicaciones: Aplicaciones térmicas Alambre de resistencia Aplicaciones con altos requerimientos mecánicos y de resistencia a la corrosión.
Valores Típicos: [N/mm²] Fuerza máxima
Cu
CuSn6
220-270
Fuerza al 1% de elongación [N/mm²] [%] Resistencia (IACS)
120-180
470530 380460 13
Conductividad Resistividad Coeficiente de resistencia térmica Soldabilidad
58.5 0.0171
7.5
39004000 buena
550750 buena
Diagrama binario Cu-Sn
[S*m/mm²] [Ohm*mm²/ m] [1E-6/K] [-]
100
0.1333
Efecto de varios elementos de aleación sobre el esfuerzo de cedencia del cobre. Los átomos de níquel y zinc tienen aproximadamente el mismo tamaño que los átomos de cobre, pero los de berilio y estaño tienen tamaños muy diferentes a los del cobre, aumentando la diferencia en tamaño atómico y la cantidad de elemento aleante, se incrementa el endurecimiento por solución sólida. Microestructura típica de bronces
Bronce de estaño (4 % Sn); moldeado en arena Aleaciones Latones Son aleaciones de cobre como elemento matriz y pequeñas cantidades de Zn, las cuales al combinarse se tiene propiedades mecánicas especificas dependiendo del porcentaje aleado, recordar que este tipo de aleaciones no ferrosas son muy utilizadas en la industria por tener propiedades especificas excelentes. Latones: Aleaciones Cu-Zn (Pb) •Latones α: 1. 5 a 36% de Zn 2. Estructura: CCC 3. Ductil y maleable a temperatura ambienta, ej.: -latón para acuñar monedas (5-20% de Zn) -latón 70-30, para embuticiones profundas -latón de libre corte (Zn ±35%, Pb ± 1%) 1. 5 a 36% de Zn Latones α+β: 1. 36 a 48% de Zn 2. Estructura: CCC+CC 3. Forjable a >454 C, a esta temperatura la estructura pasa de β β localizandoce el átomo de Zn en centro del cristal CC, ej.:-latón forjable en matriz cerrada. Tipos de latón Latón almirantazgo contiene 30% de zinc y 1% de estaño que inhibe dezincification en la mayoría de los entornos.
Alfa latón (Príncipe del metal), con menos del 35% de zinc, son maleables, se puede trabajar en frío, y se utilizan en el prensado, forja, o aplicaciones similares. Que contienen sólo una fase, con la cara
centrada en la estructura cúbica de cristal. Alfa-beta de latón (metal Muntz), también denominado dúplex latón, es 3545% de zinc y es ideal para trabajo en caliente. Contiene tanto α y β 'fase, la fase β'es cúbico centrado en cuerpo y es más difícil y más fuerte que α. Alfabeta latón son habitualmente trabajadas caliente. Latón aluminio contiene aluminio, lo que mejora su resistencia a la corrosión. Utilizados en las monedas en euros (oro nórdico). Bronce arsenical contiene una adición de arsénico y el aluminio y con frecuencia se utiliza para calderas fireboxes. Beta latón, con 45-50% de contenido de zinc, sólo puede ser trabajado en caliente y son más difíciles, más fuerte, y ser aptos para la colada. Cartucho de latón es un 30% de zinc latón con buenas propiedades de trabajo en frío. Común de latón, o remache de bronce, es un 37% de zinc metal, barato y estándar de trabajo en frío. DZR latón Dezincification es resistente latón con un pequeño porcentaje de arsénico. De metal dorado es el tipo más suave de latón disponibles. Una aleación de cobre 95% y 5% de zinc, de metal dorado se utiliza típicamente para componentes de municiones. Alto de latón, contiene 65% de cobre y 35% de zinc, tiene una alta resistencia a la tracción y se utiliza para los muelles, tornillos, remaches. Latón con plomo es un alfa-beta de bronce con una adición de plomo. Tiene una excelente maquinabilidad. Baja latón es una aleación de cobre-cinc que contiene 20% de zinc con un ligero color dorado, excelente ductilidad y se utiliza para tubos flexibles de metal y metal fuelle. Naval de latón, latón similares a almirantazgo, es un 40% de zinc y latón 1% de estaño. De bronce rojo, aunque no técnicamente de latón, es un plazo de aleación conocida como CuZnSn Gunmetal. Ricos bajo bronce contiene el 85% de cobre 15% de zinc suelen utilizarse en aplicaciones de joyería. Latón blanco contiene más del 50% de zinc y es demasiado frágil para el uso general. Amarillo latón es un término para el 33% de zinc metal.
Diagrama binario Cu-Zn
Microestructura típica de Latones
Laton trefilado 200X Reactivo Cloruro férrico Aleaciones de Aluminio Las aleaciones de aluminio son aleaciones obtenidas a partir de aluminio y otros elementos(generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman parte de las llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros, pero no tan resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un metal muy blando. Características: Las aleaciones de aluminio contienen, en una matriz de aluminio y diversos elementos de aleación. Los principales son el cobre(Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), cinc (Zn) y manganeso (Mn). En menores cantidades se usa también hierro (Fe), cromo (Cr) ytitanio (Ti); y para aleaciones especiales se suele usar también níquel (Ni), cobalto (Co), plata (Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio(Zr), estaño (Sn), plomo (P b), cadmio (Cd), bismuto (Bi), berilio (Be), boro (B), sodio (Na), estroncio (Sr) y escandio (Sc). Aportaciones de los elementos aleantes Los principales elementos de aleación del aluminio son los siguientes y se enumeran las ventajas que proporcionan. Cromo (Cr) Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg.
Cobre (Cu) Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión. Hierro (Fe). Aumenta la resistencia mecánica.
Magnesio (Mg) Tiene una gran resistencia tras el conformado en frío. Manganeso (Mn) Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de embutición. Silicio (Si) Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica. Titanio (Ti) Aumenta la resistencia mecánica. Zinc (Zn) Aumenta la resistencia a la corrosión. Escandio (Sc) Mejora la soldadura Principales de este tipo de aleaciones Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones es el
cobre (Cu), aunque también contienen magnesio Mg. Estas aleaciones con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada de 64ksi (442 MPa) y se utiliza en la fabricación de estructuras de aviones, concretamente en la parte inferior y en el fuselaje donde se precisa de una gran tenacidad a fractura además de buena resistencia. Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes de este grupo son
magnesio y silicio. Con unas condiciones de tratamiento térmico T6 alcanza una resistencia a la tracción de 42 ksi (290MPa) y es utilizada para perfiles y estructuras en general. Aleaciones 7xxx. Los principales aleantes de este grupo de aleaciones son
zinc, magnesio y cobre. Con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada de 73ksi(504MPa) y se utiliza para fabricar estructuras de aviones, concretamente la parte superior de las alas en las que se precisa una gran resistencia. También se usa en aplicaciones deportivas de alto nivel, concretamente en bastones de esquí usados en competición, siendo la aleación 7075 la más usada debido a su ligereza y buena flexibilidad aún a bajas temperaturas. Diagrama binario Al- Cu-Zn
Microestructura típica de Aleaciones de Aluminio
200X Aleación de Aluminio Silicio 3. 1. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Materiales Muestras (ver tabla Nro. 1) Alcohol medicinal Algodón Hojas abrasivas N° 200, 400, 600, 100 y 1500 Resina poliéster y Acrílica Curador de resina (Polimerizado) Pasta de pulido Trapo industrial Otros complementarios
. 4.Equipos: 1. Molde de resina 2. Vaso de vidrio de preparación 3. Base de pulido vidrio (6mm) 4. Equipo de desbaste (discos con abrasivos) 5. Equipo de pulido (paños) 6. Microscopio Metalográfico 5. EPPS: 1. Lentes de seguridad 2. Guardapolvo y/o mameluco Equipos de apoyo:
7. 8. 9. 10. 11. 12.
Vaso de precipitados Marcador indeleble Pinza Luna de vidrio Alicate Otros complementarios
3. 4.
Guantes de jebe Zapatos de seguridad
a.Cámara fotográfica
b. Filmadora
6.Procedimiento: Para un mejor desarrollo de la práctica de laboratorio formaremos cuatro grupos, los cuales de acuerdo al orden en el cuadro ajunto deberá de analizar los metales no ferrosos como se indican. Tabla N° 1
Grupo Muestra Zinc 1 Bronce Soldadura de Plata 2 Latón Antimonio 3 Plomo
Briqueta Resina Acrilica Resina Acrilica Resina Acrilica Resina Acrilica Resina Acrilica Resina Acrilica
Tamaño referencial 10x5x5 mm 10x5x5 mm 10x5x5 mm 10x5x5 mm 10x5x5 mm 10x5x5 mm
Una vez obtenida la muestra indicada en el cuadro deberá de iniciar la preparación mecánica de la muestra, como ya se detalló en la práctica anterior usted deberá de cumplir todas las etapas de desbaste y pulido de la muestra indicada en el cuadro. Es necesario tener en cuenta que para el caso de la preparación de muestra del Pb y el Sn, se debe de tener cuidado en el pulido de la superficie, recordar que estos dos metales y sus respectivas aleaciones presentan poca dureza y es necesario iniciar su pulido con el lijar 600 evitando que las partículas abrasivas del papel abrasivo se incrusten en la muestra para ello deberá de utilizar abundante refrigerante.
Preparacion de muestra Ataque químico y revelado de microestructura: Como es de su conocimiento, cada metal puro y sus aleaciones tiene un reactivo químico específico que revelara la microestructura y detalles que se desee observar, para ello se indicara el reactivo solicitado para la práctica de laboratorio en la parte de los anexos. Cada grupo deberá de terminar la preparación de muestra y luego proceder al ataque químico de n su muestra para poder observar el microscopio Metalográfico la microestructura particular del metal o aleación que se le ha asignado. Como se está en la parte inicial del curso para esta práctica únicamente observaremos la microestructura típica de la aleación o metal. Observación metalográfica: Cada grupo observara las muestras asignadas y desarrollara un bosquejo a mano alzada de lo indicado, el docente detallara cada parte de su bosquejo para un mejor conocimiento de lo observado, todos los grupos compartirán la información de lo observado y contestaran el cuestionario de la guía de prácticas.
7.Cuestionario: 1) ¿Qué observa en la microestructura típica del Cobre?
2) ¿Qué observa en la microestructura típica del Antimonio? 3) ¿Qué observa en la microestructura típica del Plomo? 5)¿Qué observa en la microestructura típica del Antimonio? 6)¿Qué observa en la microestructura típica del Znc? 7)¿Qué observa en la microestructura típica del Bronce? 8)¿Qué observa en la microestructura típica del Latón? 9)¿Cómo se podría relacionar lo observado en la microestructura con las propiedades mecánicas del metal o aleación? 8.Bibliografía. 1. J. A. Aragón, J. R. Miranda, A. S. De Ita., Información tecnológica 13, 97 (2002). 2. S. Rangel Lara, A. de Ita de la Torre, E. Aviña, 9ª Reunión Nacional Académica de Física y Matemáticas, ESFM-IPN, Mayo 2004. 3. O. España, A. de Ita, A. Aragón, L. G. Flores, Cancún 2000, Internacional Material Research Congress, Cancún, Quintana Roo, 143 (2000). 4. R. P. Elliot, First Suplement, (Mc Graw Hill, New York 1965). 5. F. W. Ling, D. E. Laughlin, Metallurgical Transactions 10, 921 (1979). 6. B. J. LI, C. G. Chao, Metallurgical and Materials Transactions 30, 917 (1999). 7. P. Villars, A. Prince, H. Okamoto, Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams v. 3, ASM 1995, p 3424. 8. ASTM E-112 Standar Test Methods for Determining Average Grain Size. 9. EN ISO 643, Determinación micrográfica del tamaño de grano aparente (ISO 643-2003), norma española.
9.-Anexos:
MOLIBDA NATO DE AMONIO
Ácido Molibdico (85%) 100 g. Hidróxido de Amonio 140ml. Agua destilada 240ml. Ácido nítrico 60ml
Frotar con algodón suavemente durante 15 segundos.
Uso para plomo, estaño y sus aleaciones: elñ ataque es rápido y lavas con alcohol.
