Ciencia y Tecnología de Materiales 1.1

APUNTES DE

CIENCIA Y TECNOLOGIA DE

MATERIALES

Tema 01. Aleaciones pesadas: Antifricción

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

ESCUELA SUPERIOR DE LA MARINA CIVIL DE GIJON

Ricardo García Castañón

Introducción a la Ciencia y Tecnología de Materiales 1.2

INDICE

1 ALEACIONES PESADAS ................................................................................. 1.3 1.1 El Plomo: Características y aplicaciones ................................................... 1.3 1.2 El estaño, características y aplicaciones.................................................... 1.3 1.3 Aleaciones antifricción. .............................................................................. 1.4

1.3.1 Características que deben reunir las aleaciones antifricción: ............. 1.4 1.3.2 Antifricciones al plomo: ....................................................................... 1.5 1.3.3 Antifricciones al estaño. ...................................................................... 1.6 1.3.4 Antifricciones al plomo estaño. ........................................................... 1.6

1.4 Fundiciones y bronces y otros materiales para cojinetes........................... 1.7

Ciencia y Tecnología de Materiales 1.3

1 ALEACIONES PESADAS

1.1 El Plomo: Características y aplicaciones El plomo es un metal blanco azulado que cristaliza en la red c.c.c. de parámetro de red alto, por lo que tiene una gran ductilidad (A = 50%), poca dureza (HB = 6,9) y poca resistencia a la tracción (�R = 20 MPa). Esto lo hace apto para fabricar láminas finas, tubos, hilos, etc. La temperatura de fusión del plomo es de 327ºC. El plomo se deforma por la acción de su propio peso (densidad = 11.36), por lo que tiene una resistencia a la fluencia pequeña. En cuanto sus aptitudes frente a la corrosión, decir que el aire seco, el agua destilada y el agua de lluvia, atacan y oxidan al plomo, deteriorándolo con prontitud. Sin embargo, atmósferas normales o agua potable, donde siempre hay sales disueltas (carbonatos, sulfatos, etc.), crean una costra superficial, perfectamente adherida al plomo de sales de plomo, que además es dura y tenaz e impide la posterior oxidación del plomo (fenómeno de pasivación). Por esto se utiliza en conducciones de agua. Otra característica del plomo es tener un punto de recristalización muy bajo, inferior a 0ºC, por lo que no puede endurecerse por trabajo en frío. En general, otras aleaciones o materiales, están desplazadas al plomo en sus aplicaciones, que tradicionalmente son: - Laminas para recubrir depósitos de ácido sulfúrico. - Tuberías de saneamiento y láminas para juntas de tejados en arquitectura. - Revestimiento de cables conductores. - Óxidos de Pb para pinturas anticorrosivas, actualmente prohibidas. - Como elemento de aleación en aceros y otras aleaciones para mejorar la maquinabilidad. - Par crear aleaciones de bajo punto de fusión, alguna de las cuales veremos en este capitulo.

1.2 El estaño, características y aplicaciones. El estaño es un metal pesado (densidad = 7,289) que solidifica a 232ºC en la red Exc. (estaño gris) A 13,2ºC sufre un cambio alotrópico a la red cúbica compleja (estaño blanco). A temperaturas por debajo de -50ºC se deshace en polvo. Debido a su red Exc. al deformarlo plásticamente sufre un proceso de deslizamiento cruzado, por lo que al doblar una varilla de estaño se produce un crujido típico llamado el grito del estaño. A pesar de lo anterior, es muy maleable pudiendo obtenerse hojas de hasta 0,0025 mm. de espesor. El estaño tiene buena resistencia a la corrosión, pero mala a la tracción (�R = 35 MPa).

Introducción a la Ciencia y Tecnología de Materiales 1.4

Sus principales aplicaciones son para recubrir chapas de acero (Hojalata) y como elemento de aleación en bronces. También se elaboran con el aleaciones que se estudian en este capitulo.

1.3 Aleaciones antifricción.

1.3.1 Características que deben reunir las aleaciones antifricción: El trabajo de un material antifricción es duro. Imaginemos por ejemplo un cojinete de antifricción (Fig. 1.2), montado en el eje de cola de un barco (Fig. 1.1), que esta sometido a rozamientos, desgastes, presiones elevadas, etc. Esto nos hace intuir que un material antifricción debe poseer las siguientes propiedades: - Plasticidad, para que se deforma y se adapte al eje. - Resistencia a la presión (compresión) y tenacidad. - Resistencia al desgaste, pero que no se desgaste el eje. - Bajo coeficiente de rozamiento. - Conductividad calorífica, para que se disipe bien el calor y no haya sobrecalentamientos. - Adherencia con el metal base del cojinete. - Resistencia a la corrosión. - Bajo punto de fusión, Debe fundirse el antes de que se deteriore el eje.

Soporte Antifricción Eje

Fig. 1.1. Esquema del montaje de un cojinete

antifricción

Acero (milimetros)Al Al ó bronce (decimas)Antifricción (centesimas)

Fig. 1.2. Esquema de un cojinete antifricción

Ciencia y Tecnología de Materiales 1.5

1.3.2 Antifricciones al plomo: Son aleaciones de plomo y antimonio (Pb-Sb), que siguen el diagrama de fases que se esquematiza en la Fig. 1.3:

El plomo (3 HB) y el antimonio (30 HB) son blandos, por lo que se utiliza la aleación eutéctica, que es algo mas dura y tenaz a la vez que posee un punto de fusión bajo. De todos modos a esta aleación debemos agregarle partículas duras, ya que ella sola se desgastaría con rapidez. Para ello se agregan pequeños porcentajes de Cu y de Sn que forman los compuestos intersticiales CuSn y SnSb muy duros. El principal inconveniente de estas aleaciones es su alto límite elástico y punto de fusión, aunque se utilizan bastante.

Por lo tanto la aleación se vería como una matriz eutéctica en las que están dispersas unas partículas cúbicas (SnSb) y otras estrelladas (CuSn), que son las que aguantan el desgaste. En la micrografía de la Fig. 1.4 se observa una babbitt Pb-Sb-Sn.

Pb 13% Sb

T ºC

327

270

Fig. 1.3. Diagrama de fases Plomo-

Antimonio

Fig. 1.4 Aleación para cojinetes que tiene el plomo como base: Pb, 15% Sb y 5% Sn. Se observan cubos correspondientes al compuesto SbSn en una matriz eutéctica de Pb y Sb.

Introducción a la Ciencia y Tecnología de Materiales 1.6

1.3.3 Antifricciones al estaño. Contienen como metal base el estaño y se les agrega antimonio en porcentajes no superiores al 15%, de forma que se forma una aleación que tiene de fase matriz una solución sólida de estaño y antimonio, y como fase dura y dispersa el compuesto SnSb. También se les suele agregar algo de Cu para que se formen cristales de CuSn. En la micrografía de la Fig. 1.5 se puede apreciar una de estas aleaciones.

Las babbitt con base estaño son de gran calidad, con un punto de fusión, sobre los 250ºC, ligeramente inferiores a las de base plomo. Además tienen una muy buena adherencia con el metal base del cojinete. Se las utiliza mucho en motores diesel.

1.3.4 Antifricciones al plomo estaño. Tienen como fase matriz aleaciones próximas al eutéctico Pb-62%Sn. y bajo punto de fusión, como puede observarse en el diagrama, por lo que requieren bastante lubricación.

Para conseguir las partículas duras se les agrega Cu y Sb.

Fig. 1.5. Cubos de SbSn y estrellas de CuSn en una babbitt base

estaño: Sn, 7% Cu y 9% Sb.

Pb 62% Sn

T ºC

18019,2%

Fig. 1.6. Diagrama de equilibrio Pb - Sn.

Ciencia y Tecnología de Materiales 1.7

1.4 Fundiciones y bronces y otros materiales para cojinetes. Las fundiciones que se utilizan para cojinetes son las grises perlíticas. Pueden soportar presiones relativamente altas y el grafito hace de lubricante. A pesar de ello el rozamiento es bastante grande, acero contra acero, por lo que deben ir altamente lubricadas y no pueden utilizarse en aceros rápidos. Los bronces mas utilizados para cojinetes son los Cu-Sn y los Cu-Pb, existen también Cu-Pb-Sn. En los bronces al estaño la fase blanda es la solución sólida α y la fase dura el eutéctico α-δ, por lo que tienen contenidos ente el 20 y 30% de Sn. Recuérdese el diagrama de fases Cu-Sn. Los bronces al Pb contienen de este elemento sobre un 20-30% que actúa de lubricante. Los bronces tienen gran resistencia mecánica y buen coeficiente de rozamiento, se utilizan para trabajos duros. Además, los cojinetes de bronce re elaboran por metalurgia de polvos, por lo que si los dejamos con cierta porosidad (tipo esponja pero sin exagerar) y los impregnamos de aceite, son autolubricantes. Existen muchos otros materiales para cojinetes. Podríamos destacar los poliméricos o poliméricos reforzados. Uno de estos muy famoso es el de la casa THORDON muy utilizado modernamente en las bocinas de los barcos. Van refrigerados por agua de mar que se inyecta a presión.