Prctica N 4

Tema: Tratamiento trmico del bronce al aluminio.

Objetivo:

Realizar un tratamiento trmico para bronces al aluminio y verificar la variacin

de las propiedades mecnicas y su microestructura.

Analizar la transformacin martenstica en la aleacin cobre-aluminio.

Revisin terica.

Fotografa 4.1Alubronce, Cu 90%, Al 10%. [5]

Los bronces al Aluminio (Fotografa

4.1) son un tipo de bronce en los que

el aluminio es el principal metal de

aleacin. La variedad de bronces al

aluminio de diferentes

composiciones que han encontrado

uso en la industria son los que

contienen entre 5% al 11% en peso

de aluminio.

Otros agentes de aleacin tales como el hierro, nquel, manganeso y silicio tambin pueden

ser aadidos para conseguir diversas propiedades mejoradas.

Los bronces al aluminio son muy valorados por su buenas propiedades mecnicas y

resistencia a la corrosin en comparacin con otras aleaciones de bronce. Estas aleaciones

presentan bajas tasas de corrosin en exposiciones a la intemperie, adems de bajos

ndices de oxidacin a altas temperaturas, y una muy destacable baja reactividad a los

compuestos sulfurosos de los gases de escape y otros productos de la combustin.

Tambin son resistentes a la corrosin en ambientes salinos incluso, en exposicin directa

al agua de mar.

La buena resistencia a la corrosin de los bronces al aluminio recae en el componente de

aluminio de las aleaciones, que reacciona con el oxgeno atmosfrico para formar una capa

superficial de almina delgada y dura superficial (xido de aluminio), que acta como una

barrera a la corrosin.

Otra notable propiedad de los bronces de aluminio son sus efectos biostticos. El

componente de cobre de la aleacin impide la colonizacin de organismos marinos,

incluyendo algas, lquenes, percebes y mejillones, y, por tanto, puede ser preferible al uso

de aceros inoxidables o de otro tipo de aleaciones no cpricas en aplicaciones en las que se

quiera evitar ese tipo de colonizacin de organismos.

Dentro de la seleccin de materiales es importante el estudio de las aplicaciones de

materiales que no son comunes mediante su tratamiento adecuado, en este orden,

elementos de bronce al aluminio con la composicin y tratamiento trmico adecuados

pueden sustituir a materiales como los aceros en aplicaciones especficas, constituyendo

esta una tarea de seleccin e ingeniera de materiales.

En el siguiente cuadro (Tabla 4.1) se enumeran las aleaciones de bronce aluminio forjado

estndar bajo las denominaciones ISO 428.

Los porcentajes indican la composicin proporcional de la aleacin en peso. El cobre es el

resto por el peso y no consta en la lista:

Aleacin Aluminio Hierro Nquel Manganeso Zinc Arsnico

CuAl5 4.0% - 6.5% 0.5% mx. 0.8% mx. 0.5% mx. 0.5%

mx. 0.4% mx.

CuAl8 7.0% - 9.0% 0.5% mx. 0.8% mx. 0.5% mx. 0.5%

mx.

CuAl8Fe3 6.5% - 8.5% 1.5% - 3.5% 1.0% mx. 0.8% mx. 0.5%

mx.

CuAl9Mn2 8.0% - 10.0% 1.5% mx. 0.8% mx. 1.5% - 3.0% 0.5%

mx.

CuAl10Fe3 8.5% - 11.0% 2.0% - 4.0% 1.0% mx. 2.0% mx. 0.5%

mx.

CuAl10Fe5Ni15 8.5% - 11.5% 2.0% - 6.0% 4.0% - 6.0% 2.0% mx. 0.5%

mx.

Tabla 4.1Denominaciones ISO 428 para aleaciones Bronce Aluminio.[5]

Tratamiento trmico de los bronces al aluminio

El principal tratamiento trmico que se realiza a las aleaciones no ferrosas es el

endurecimiento por envejecimiento o precipitacin, en el cual se trata de reforzar la

aleacin con la creacin de una dispersin densa y fina de partculas precipitadas en una

matriz de metal deformable, ests partculas precipitadas actuarn como obstculos del

movimiento de las dislocaciones y de esta forma reforzarn la aleacin.

Para que una aleacin bimetlica pueda endurecerse por medio del tratamiento de

precipitacin debe cumplir ciertas caractersticas, para una composicin dada de un

sistema debe existir una solucin slida terminal que tenga una solubilidad en estado

slido decreciente a medida que la temperatura disminuya.

El diagrama de fases de la Ilustracin 4. muestra un sistema de aleacin Aluminio Cobre,

en el extremo donde el aluminio ocupa al menos el 90% en peso. En el diagrama se puede

observar entre los puntos A y B, la lnea de decrecimiento de la solubilidad slida del

sistema y su decrecimiento conforme a la disminucin de la temperatura.

En este caso el tratamiento de envejecimiento es aplicable. Pero qu sucede cuando se

quiere mejorar las propiedades de una aleacin para la que su composicin no muestra la

disminucin de la solubilidad parcial en estado slido conforme disminuye la temperatura.

Entonces, se debe analizar el diagrama de equilibrio para tratar de aplicar un tratamiento

trmico que adecuado para el sistema y la composicin de la aleacin. En la Ilustracin se

http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminiumhttp://en.wikipedia.org/wiki/Nickelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Manganesehttp://en.wikipedia.org/wiki/Zinc

observa el diagrama de equilibrio para dicho sistema de aleacin cobre-aluminio, en el

cual el aluminio es el elemento de menor contenido en peso.

Como se puede observar en la Ilustracin , entre los punto A y B, como la solubilidad slida

no decrece conforme decrece la temperatura, claramente, no se podra realizar el

tratamiento de precipitacin para mejorar las propiedades de dicho material.

Ilustracin 4.2Diagrama de fases Aluminio Cobre, para altos contenidos de aluminio.

Los bronces al aluminio que contienen hasta un 9,5% de Al, representan una solucin

Ilustracin

gran contenido de aluminio estn compuestos de una mezcla de 2 2 es una

combinacin electrnica Cu32Al19). Para composiciones por debajo del 8% de aluminio la

estructura permanece esencialmente la misma del cobre y est formada por una solucin

d y su relativa plasticidad en

estado recocido.

Para el caso de los contenidos de aluminio de entre el 8% al 13% aproximadamente se

puede realizar un tratamiento trmico de templado, con el fin de conseguir una

microestructura martenstica (Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Por

extensin se denominan estructuras martensticas a todas las fases que se producen a raz

de una transformacin sin difusin en materiales metlicos.

El criterio de la transformacin martenstica se extiende a varias aleaciones bimetlicas en

las cuales de forma similar que en los aceros el tratamiento implicar un aumento de

temperatura del material de tal forma que suceda la transformacin alotrpica.

Para los bronces al aluminio se elevar la temperatura para conseguir una solucin slida

aumento de la solubilidad d

como una solucin slida sobresaturada.

A

B

Fotografa 4.2 2 y precipitados

intermetlicos de diferentes morfologas. [6]

Fotografa 4.3Microestructura de la probeta enfriada desde 965C, mostrando Martensita

El siguiente paso del proceso ser el enfriamiento rpido del material con el fin de evitar la

transformacin alotrpica en el enfriamiento, no permitiendo el proceso de difusin,

ta

como resultado en la aleacin tratada trmicamente una mejora en ciertas propiedades

mecnicas como el aumento de la dureza.

Como se haba analizado, depende de la composicin de aluminio la formacin de la

del tratamiento trmico tambin variar conforme a este contenido de aluminio y se

puede observar en el diagrama de equilibrio de la Ilustracin .

Por ejemplo, se podra tomar una composicin de aluminio 9,5% al calentar a 950C el

lar el material deberamos obtener una

en su totalidad y en el templado posterior obtendremos una estructura totalmente

As, se puede concluir que la formacin de cierta cantidad de microestructura martenstica

cantidad de aluminio que contenga la aleacin, pero la cantidad de distorsin que se pueda

crear en la red ser dependiente de la velocidad de enfriamiento y este factor tambin

variar las propiedades del material tratado.

Ilustracin 4.4Diagrama de estado Cu - Al en funcin del contenido de Al. [7]

El aluminio de un contenido hasta de un 10% aumenta el lmite de rotura del cobre

(aumento de la resistencia a la traccin) y aumenta su dureza; el alargamiento relativo

crece cuando su contenido es de hasta un 4 5% y si el contenido de aluminio es mayor

cae violentamente (Ilustracin ). Esto est relacionado con la formacin de una fase

r de la variacin de las propiedades determina el empleo

y la tecnologa de tratamiento de los bronces de aluminio.

Los bronces con un contenido de un 6 8% de Al, se trabajan por presin en estado

caliente y en fro. La deformacin en fro aumenta considerablemente la resistencia, como

A

B

se puede observar en la Tabla 4.2. Los bronces que contienen un 8 10% de Al, se pueden

trabajar por presin solamente a altas temperaturas. Al mismo tiempo estos bronces

poseen altas propiedades de fundicin y se emplean para las fundiciones perfiladas.

Los bronces al aluminio son resistentes a la corrosin. El hierro que se agrega a los

bronces al aluminio, hace la estructura ms fina y aumenta sensiblemente las propiedades

mecnicas. Los bronces del tipo Br.Azh 9 4 son sometidos a tratamiento trmico,

propiamente a normalizado con un calentamiento hasta 650oC o a temple a 950oC en agua.

Este tratamiento trmico aumenta la resistencia mecnica y la dureza del material, si el

disminuyen notablemente. Los bronces al aluminio poseen propiedades mecnicas ms

altas y han encontrado amplio empleo en la industria (Tabla 4.2). La adicin de nquel

hace ms elevadas las propiedades mecnicas a altas temperaturas.

Los bronces al aluminio son ms comnmente usados en aplicaciones en las que su

resistencia a la corrosin hace preferible a otros materiales de ingeniera. Estas

aplicaciones incluyen casquillos de la articulacin y componentes del tren de aterrizaje de

las aeronaves, componentes del motor (especialmente para los buques de navegacin

martima), cierres en la arquitectura naval, y las hlices del buque. Otras aplicaciones

destacables podran enumerarse alrededor de su alta dureza despus del tratamiento

trmico.

Bronce Estado del

material

r MN/m2

(kgf/mm2) Destinacin

Br. A5

Funcin en coquilla

Laminado y

recocido

Deformacin en

fro

280(28)

380(38)

800(80)

55

65

4,0 Cintas, tiras, fundicin

Br. AZh9-4

Fundicin en tierra

Fundicin en

coquilla

Redondos

prensados

400(40)

500(50)

550(55)

10

12

15

Redondos, piezas forjadas,

piezas fundidas perfiladas

Br.

AZhN10-4-

4

Fundicin en

coquilla

Redondos

prensados

600(60)

650(65)

6

5 Redondos, tubos, piezas

forjadas, piezas fundidas

perfiladas

Tabla 4.2Propiedades mecnicas y destinacin de los bronces al aluminio. [1]

Referencias

[5]http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_bronze

[6] IQBAL,J., AHMED, F., HASAN, F. (2008). Development of Microstructure in Silicon-

Aluminum-Bronze. Disponible en: http://www.uet.edu.pk. File: pdf.

[7] GLAESER,W., (1996). Material of Tribology. En ELSEVIER. pp 55.

Materiales y equipos.

Materiales.

3 Probetas de bronce al aluminio

Reactivo qumico (cloruro frrico)

Alcohol

Equipo

Mufla

Termmetro

Microscopio metalogrfico

Equipo de pulido metalogrfico

Secador

Pinzas

Procedimiento

1. Extraer 3 probetas de bronce al aluminio, dos para tratamiento trmico y una para

probeta testigo.

2.

3. Preparar los medios de enfriamiento para el templado.

4. Al trmino del tiempo de tratamiento trmico sacar las probetas y enfriar en los

dos envases las probetas de tal forma que se pueda obtener velocidades de

enfriamiento distintas en funcin de la cantidad del medio de enfriamiento.

5. Extraer las probetas y prepararlas para el anlisis metalogrfico.

6. Prepara la probeta testigo para el anlisis metalogrfico.

7. Realizar la medicin de dureza sobre las probetas tratadas trmicamente.

8. Realizar la medicin de durezas sobre la probeta sin tratamiento trmico.

9. Observar la microestructura de las probetas tratadas trmicamente y de la probeta

testigo.

10. Llenar la hoja de datos.

Preparatorio

1) Qu es un bronce al aluminio?

2) Cul es la composicin qumica y propiedades mecnicas del bronce al aluminio

AB2 (bronce al aluminio naval)?

3) A qu tratamientos trmicos se le puede someter al bronce al aluminio?

4) Qu medios de enfriamiento son recomendados para templar bronce al aluminio?

Qu cualidades hacen que estos medios sean recomendados? Qu velocidad de

enfriamiento poseen estos medios?

5) En qu afecta el medio y tiempo de enfriamiento en la realizacin del temple al

bronce al aluminio?

Informe

1. Tema

2. Objetivos

3. Datos obtenidos

3.1 Metalografas obtenidas en el laboratorio

4. Datos calculados

4.1 Anlisis metalogrfico utilizando Metals Handbook.

5. Anlisis de resultados

Comparacin de metalografas de templando en los diferentes medios, tanto con la

testigo como las que han sido templadas.

6. Aplicaciones industriales

7. Conclusiones y Recomendaciones (Nombre estudiante 1)

8. Conclusiones y Recomendaciones (Nombre estudiante 2)

9. Bibliografa consultada