superaleaciones
TRANSCRIPT
Page 1
MATERIALES AVANZADOS
UNIDAD 3
Valdez Reyes Herolinda
SUPERALEACIONES
Catedrático: Ing. Leandro Barragán
10 DIC
2009
2
INDICE
UNIDAD 3
SUPERALEACIONES
3.1 Aspectos Generales
3.1.1 Superaleaciones Base Níquel
3.1.2 Superaleaciones Base Cobalto
3.1.3 Superaleaciones base Titanio
3.2 Diagramas de equilibrio
3.3 Métodos de elaboración
3.3.1 Fusión
3.3.2 Solidificación direccional
3.3.3 Pulvimetalurgia
3.4 Comportamiento mecánico
3.5 Oxidación y corrosión
3.6 Cambios en la microestructura durante su exposición a temperaturas elevadas
3
UNIDAD 3
SUPERALEACIONES
3.1 aspectos generales
Un superaleación, o aleación de alto rendimiento, es una aleación que presenta una
excelente resistencia mecánica y resistencia a la fluencia a altas temperaturas, buena
estabilidad de la superficie, y la corrosión y resistencia a la oxidación. Superaleaciones
suelen tener una matriz con una cara austeníticos centrado en la estructura cristalina
cúbicos. Una base de superaleación elemento de aleación es generalmente de níquel,
cobalto o níquel-hierro. Superaleación desarrollo ha dependido en gran medida en las
industrias de químicos y la innovación de procesos y ha sido impulsado principalmente por
las industrias aeroespacial y de poder. Las aplicaciones típicas se encuentran en la
industria aeroespacial, de la turbina de gas industriales y de la industria de turbinas
marinas, por ejemplo, palas de la turbina para las secciones calientes de los motores a
reacción.
4
Ejemplos de superaleaciones
1. Hastelloy,
2. Inconel,
3. Waspaloy,
4. aleaciones de René (por ejemplo, Rene 41, René 80, René 95, René 104), aleaciones
de Haynes, Incoloy, MP98T, aleaciones de TMS, y aleaciones de cristal CMSX único.
Las Superaleaciones son materiales metálicos para el uso a altas temperaturas,
especialmente en las zonas calientes de las turbinas de gas.
Estos materiales permiten la turbina para operar más eficientemente por soportar
temperaturas más altas. Temperatura de entrada de la turbina (TIT), que es un indicador
directo de la eficiencia de un motor de turbina de gas, depende de la capacidad de
temperatura de 1 ª etapa de la hoja de la turbina de alta presión hechos de
superaleaciones de base Ni exclusivamente.
Una de las propiedades superaleación más importante es la alta resistencia a la pérdida
de temperatura. Otras propiedades de los materiales fundamentales son la fatiga, la
estabilidad de fase, así como la oxidación y la resistencia a la corrosión.
Superaleaciones desarrollan la fuerza de alta temperatura mediante el fortalecimiento de
solución sólida. La oxidación y la resistencia a la corrosión es proporcionada por la
formación de una capa de óxido que se forma cuando el metal está expuesta al oxígeno y
encapsula el material, y así proteger el resto de los componentes. La oxidación o la
5
resistencia a la corrosión es proporcionada por elementos tales como aluminio y cromo.
Mediante un mecanismo de fortalecimiento de la medida más importante es a través de la
formación de la fase secundaria se precipita como el primer gamma y los carburos
mediante el fortalecimiento de la precipitación.
Aplicaciones
Superaleaciones se utilizan comúnmente en los motores de turbina de gas en las regiones
que están sujetas a las altas temperaturas que requieren de alta resistencia, excelente
resistencia a la fluencia, así como la corrosión y resistencia a la oxidación. En la mayoría de
los motores de turbina de esto está en la turbina de alta presión, hojas de aquí puede
enfrentar temperaturas que se acercan, si no más allá de su temperatura de fusión.
Recubrimientos de barrera térmica (TBCs) desempeñan un papel importante en las hojas
que les permite operar en tales condiciones, la protección del material de la base de los
efectos térmicos, así como la corrosión y oxidación. Aplicaciones adicionales de
superaleaciones se incluyen los siguientes: turbinas de gas (aviones comerciales y militares,
generación de energía y propulsión marina); vehículos espaciales, los submarinos, los
reactores nucleares, militares motores eléctricos, los buques de transformación química, y
los tubos de intercambiador de calor.
Revestimiento de superaleaciones
Superaleación los productos que son sometidos a altas temperaturas y atmósferas
corrosivas (tales como región de alta presión de la turbina de motores de avión) están
cubiertas con diferentes tipos de recubrimiento. Principalmente dos tipos de proceso de
recubrimiento se aplican: el proceso de cementación en paquetes y revestimiento de fase
gaseosa. Ambos son un tipo de enfermedad cardiovascular. En la mayoría de los casos,
después de que el proceso de revestimiento cerca de las regiones de la superficie de las
piezas se enriquecen con el aluminio, la matriz de la capa que se aluminuro níquel.
Investigación y el desarrollo de nuevos superaleaciones
La disponibilidad de superaleaciones durante los últimos decenios ha conducido a un
aumento constante de las temperaturas de entrada de la turbina y la tendencia se espera
que continúe.
6
Sandia National Laboratories está estudiando un nuevo método para la toma de
superaleaciones, conocido como radiolisis. Se introduce un nuevo ámbito de investigación
en la creación de aleaciones y superaleaciones a través de la síntesis de nanopartículas.
Este proceso es una promesa como un método universal de la formación de
nanopartículas. Mediante el desarrollo de la comprensión de la ciencia de los materiales de
base detrás de estas formaciones de las nanopartículas, se especula que podría ser posible
ampliar la investigación en otros aspectos de superaleaciones.
Puede haber considerables desventajas en la fabricación de aleaciones por este método.
Alrededor de la mitad del uso de superaleaciones se encuentra en las aplicaciones donde la
temperatura de servicio está cerca de la temperatura de fusión de la aleación. Es común
que por lo tanto, el uso de monocristales. El método anterior produce aleaciones
policristalinas que sufren de niveles inaceptables de fluencia.
7
3.1.1 Superaleaciones base Níquel
Definición y propiedades.
Las superaleaciones contienen grandes cantidades de elementos de aleación con el fin de
producir una combinación de alta resistencia a altas temperaturas, a la corrosión, a las
vibraciones y a la termofluencia (alta resistencia mecánica a altas temperaturas) a
temperaturas superiores a los 1000ºC.
Las superaleaciones de níquel presentan un buen comportamiento hasta los 1000ºC
aproximadamente. Para temperaturas mayores se suelen emplear superaleaciones de
cobalto.
Estructura cristalina.
Las superaleaciones de níquel presentan una microestructura peculiar, causante de sus
excelentes propiedades, con una distribución en dos fases, gamma (γ) y gamma prima
(γ´).
- Fase gamma: solución sólida centrada en las caras que actúa como matriz.
8
- Fase gamma prima: dispersión de precipitados ordenados intermetálicos,
responsable de la gran resistencia de las superaleaciones. Las fórmulas
estequiométricas de esta fase son:
- Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(AlTi).
(a) Microestructura de una superaleación con carburos en los límites de grano y precipitados γ΄ en la matriz
(×15000).
9
(b) Microestructura de una superaleación envejecida produciendo precipitados cúbicos de diferentes
tamaños (×10000).
Aplicaciones de las superaleaciones de níquel.
Debido a sus propiedades, estas aleaciones son empleadas para la construcción de turbinas
de gas (álabes), turborreactores de avión, toberas y cámaras de combustión, reactores
químicos, generadores y prensas de extrusión.
Procesado de superaleaciones de níquel.
Una superaleación de níquel, normalmente se fabrica fundiendo una pieza de níquel y
agregando cromo y pequeñas cantidades de otros elementos, como el aluminio o el titanio,
para formar la fase gamma prima. El cromo protege el producto final de la corrosión,
mientras que otros metales como titanio y wolframio, incrementan la dureza. Después la
mezcla liquida se enfría, apareciendo una masa de fase gamma de níquel-aluminio.
Cuando la aleación experimenta un enfriamiento posterior ya en estado sólido, se
precipitan pequeños cubos de fase gamma prima dentro de la matriz de fase gamma. El
tamaño final de las partículas de gamma prima se controla variando la velocidad de
enfriamiento del material.
La primera superaleación de níquel fue la Nimonic 80, endurecible por precipitación,
desarrollada en el año 1941 en Gran Bretaña. Es una solución sólida de níquel con 20% Cr,
2.25 % Ti, y 1% de Al; siendo estos dos últimos metales útiles para la formación de
precipitados de gamma prima.
A principios de los años sesenta, se descubrió también otra nueva técnica de fabricación de
piezas metálicas; por medio del efecto superplástico. Ciertos metales son susceptibles de
experimentar deformaciones de su longitud inicial del orden del mil por ciento sin
romperse, después de haber conseguido afinar mucho el tamaño de grano. La razón de
este comportamiento radica en que los granos muy pequeños se deforman lentamente y
deslizan unos respecto a otros sin perder su mutua cohesión. Así, los materiales
superplásticos se pueden forjar en formas complejas, eliminando muchas etapas de
mecanizado y de terminación.
10
Después, las piezas así deformadas se tratan térmicamente, se enfrían rápidamente y se
envejecen, para conseguir una microestructura más resistente y estable a elevada
temperatura que la ofrecida por granos pequeños de la estructura superplástica. Los
materiales fabricados superplásticamente son menos costosos de mecanizar.
Tan importantes como las propias aleaciones son las nuevas técnicas de procesado de
metales. Las técnicas de procesado posibilitan que la metalurgia saque el máximo
provecho de los nuevos conocimientos microestructurales. Estas técnicas permiten fabricar
las aleaciones tradicionales de maneras hasta ahora desconocidas, y facilitan la creación de
nuevos metales que jamás se hubieran obtenido con las técnicas históricas.
Procesos de endurecimiento empleados en estas aleaciones:
- Endurecimiento por solución sólida: Grandes adiciones de Cr, Mo y W,
pequeñas adiciones de Ta, Zr, Nb y B proporcionan el endurecimiento por solución
sólida. Estos efectos son bastante estables, actuando los bordes de grano como
frenos en el avance de las dislocaciones, lo que provoca la resistencia a la
termofluencia.
- Endurecimiento por dispersión de carburos: Todas las superaleaciones
contienen pequeñas cantidades de carbono, que en combinación con otros
elementos aleantes produce una red de finas partículas de carburo muy estables.
Estos carburos, tales como TiC, BC, ZrC, TaC, etc., poseen una extraordinaria dureza.
- Endurecimiento por precipitación: Algunas superaleaciones de níquel que
contienen Al y Ti forman precipitados endurecedores, coherentes con la matriz, del
tipo gamma prima (Ni3Al, Ni3Ti, Ni3(AlTi) ) durante el envejecimiento, que
aumentan la resistencia de la aleación, sobre todo a altas temperaturas.
Superaleaciones de níquel más empleadas:
- Hastelloy D (Ni, 10% Si, 3% Cu). Es una aleación para moldeo, fuerte, tenaz y
extremadamente dura. Tiene una excelente resistencia a la corrosión al acido
sulfúrico. Difícil mecanización. Se emplea para evaporadores, reactores,
canalizaciones y accesorios en la industria química.
-
11
- Hastelloy A (57% Ni, 20% Mo, 20% Fe) y Hastelloy B (62% Ni, 28% Mo, 5% Fe).
Forman carburos globulares en una matriz de solución sólida. Ninguna responde al
proceso de envejecimiento. Gran resistencia a la corrosión por ácido clorhídrico,
fosforito y otros ácidos no oxidantes. Se emplean en la industria química para
manejar, transportar y almacenar ácidos y otros materiales corrosivos.
-
- Inconel (76% Ni, 16% Cr, 8% Fe). Combina la resistencia a la corrosión, resistencia
mecánica y tenacidad características del Ni, con la resistencia a la oxidación a altas
temperaturas, típica del Cr. Resiste la fatiga térmica sin hacerse frágil. Se utiliza en
escapes y calentadores de motores de avión, en hornos y recipientes para
tratamientos de nitruración y en tubos de protección de termopares.
-
- Chromel A (80% Ni, 20% Cr). Se emplea como elemento eléctrico de calefacción
para aparatos caseros y hornos industriales. Nichrome (60% Ni, 16% Cr, 24% Fe)
para resistencias de tostadores, cafeteras, planchas, secadores de pelo, calentadores
eléctricos y reóstatos para equipos electrónicos.
-
- Illium B (50%Ni, 28%Cr, 8.5%Mo, 5.5%Cu) y el Illium G (56%Ni, 22.5%Cr,
6.5%Mo, 6.5%Cu) proporcionan superior resistencia a la corrosión en aleaciones de
fundición maquinables de alta resistencia. Se utilizan en cojinetes de impulso y
rotatorios y las piezas de bombas y válvulas en las que se requiere alta dureza a
medios corrosivos. Fueron diseñados principalmente como materiales resistentes a
los ácidos sulfúricos y nítricos.
-
- Nimonic 90 (53%Ni, 20%Cr, 18%Co, 2.5%Ti, 1.5%Al, 1.5%Fe). Principalmente
utilizada por su resistencia a la fluencia (creep), su alta tenacidad y estabilidad a
temperaturas elevadas. Es la aleación básica para los motores a reacción.
-
12
- Incoloy se caracterizan por una buena resistencia a la corrosión en ambientes
acuosos y por su excelente resistencia a la oxidación en atmósferas a altas
temperaturas. Sus aplicaciones incluyen hornos y equipos de tratamiento térmico,
generadores de vapor, etc.
APLICACIONES
Superaleaciones de níquel-basadas son utilizados en estructuras de carga a la
temperatura más alta homólogos de cualquier sistema de aleación común (m T = 0,9, o
90% de su punto de fusión). Entre las aplicaciones más exigentes para un material
estructural son aquellas en las secciones calientes de los motores de turbina. La
preeminencia de superaleaciones se refleja en el hecho de que actualmente representan
más del 50% del peso de los motores de aviones avanzados. El uso generalizado de
superaleaciones en motores de turbina, junto con el hecho de que el rendimiento
termodinámico de motores de turbina se incrementa con el aumento de las temperaturas
de entrada de la turbina tiene, en parte, siempre que la motivación para el aumento de la
temperatura máxima utilización de superaleaciones. De hecho, durante los últimos 30
años la capacidad de temperatura de superficie de sustentación de la turbina se ha
incrementado en un promedio de alrededor de 4 ° C por año. Dos factores principales que
han hecho posible este aumento son
1. Las técnicas de procesamiento avanzadas, lo que mejoró la limpieza de aleación
(mejorando así la fiabilidad) y / o permitido la producción de microestructuras,
como medida solidificación dirigida o de material de cristal único.
13
2. El desarrollo de aleación que resulta en mayores de usar materiales de
temperatura principalmente a través de la adición de elementos refractarios, tales
como Re, W, Ta, y Mo.
Aumenta un 60% de la utilización de temperatura se deben a los conceptos avanzados de
refrigeración, el 40% son el resultado de las mejoras materiales. State-of-the-art de la
turbina temperaturas están cerca de la superficie de la hoja 2.100 ° F (1.150 ° C); las
combinaciones más grave de la tensión y la temperatura se corresponde con una
temperatura media de la mayor parte de metal acercarse 1.830 ° F (1.000 ° C).
A pesar de superaleaciones mantener su resistencia significativa a temperaturas cercanas
a 1800 ° F, que tienden a ser susceptibles al ataque del medio ambiente debido a la
presencia de elementos de aleación de reacción (que ofrecen a sus alta resistencia de
temperatura). De superficie de ataque incluye la oxidación, corrosión en caliente, y la
fatiga térmica. En las aplicaciones más exigentes, tales como palas y paletas de la turbina,
las superaleaciones, son a menudo recubiertas para mejorar la resistencia del medio
ambiente.
Las principales fases presentes en la mayoría de las superaleaciones de níquel son los
siguientes:
Gamma ( ): La matriz continua (llamada gamma) es una cara centrada
cúbicos (FCC) de níquel-fase austenítica base que por lo general contiene un alto
porcentaje de sólidos elementos de solución, tales como Co, Cr, Mo, y W.
Gamma Prime ( '): La fase de fortalecimiento de primaria en base de níquel
es superaleaciones de Ni 3 (Al, Ti), y se llama gamma de primer orden ( '). Es una
fase coherente precipitante (es decir, los planos de cristal del precipitado en el
registro con la matriz de rayos gamma), con una ordenada L1 2 (FCC) la estructura
cristalina. El partido de cierre en la matriz / precipitado parámetro de la red (~ 0-
1%), combinado con la compatibilidad química permite la 'Para precipitar de
forma homogénea en toda la matriz y tener una estabilidad de largo plazo.
Curiosamente, el esfuerzo de fluencia de la "Aumenta al aumentar la
temperatura hasta aproximadamente 650 ° C (1200 ° F). Además, "Es muy dúctil y
por lo tanto transmite la fuerza a la matriz sin reducir la resistencia a la fractura de
la aleación. El aluminio y el titanio son los principales componentes y se añaden en
las cantidades y proporciones mutuo para precipitar una fracción de alto volumen
14
en la matriz. En algunas aleaciones moderna de la fracción de volumen de la
'Precipitado es alrededor del 70%. Hay muchos factores que contribuyen al
endurecimiento impartidas por el "E incluir De energía de la culpa, ', La fuerza
de las cepas de la coherencia, el volumen de fracción de ', Y 'Tamaño de
partícula.
Extremadamente pequeño 'Precipitados siempre ocurren como esferas. De
hecho, para un determinado volumen de precipitado, una esfera tiene 1,24 menos
superficie de un cubo, y por lo tanto es la forma preferida para minimizar la
energía de la superficie.
Con una partícula coherente, sin embargo, la energía de la interfase se puede
minimizar mediante la formación de cubos y permitir que los aviones de la matriz
de crystalographic cúbicos y precipitar a permanecer constante. Así como la
Crece, puede cambiar la morfología de las esferas a los cubos (como se muestra en
esta figura) o las placas dependiendo del valor de la matriz / precipitado desajuste
de celosía. Para mayor desfase de los valores de la dimensión de las partículas
fundamentales en el cambio de las esferas a los cubos (o placas) se produce es
reducido. La coherencia se puede perder por overaging. Un signo de una pérdida
de coherencia es brutalidad de dirección (relación de aspecto) y el redondeo de los
bordes del cubo. El aumento de la brutalidad de dirección cada vez mayor
(positivo o negativo) coinciden también se espera.
Carburos: Carbono, añadido a los niveles de 0.05-0.2%, se combina con
elementos reactivos y refractarios, tales como el titanio, el tántalo, el hafnio, y para
formar carburos (por ejemplo, tic, tac, o HFC). Durante el tratamiento térmico y
15
de servicio, éstos comienzan a descomponerse y la forma inferior carburos como M
23 C 6 y M 6 C, que tienden a formar en los bordes de grano. Estos carburos común,
todos tienen una estructura cristalina FCC. Los resultados varían si los carburos son
perjudiciales o ventajosas a las propiedades de superaleaciones. La opinión general
es que en superaleaciones con los límites de grano, carburos son beneficiosos
aumentando la resistencia a la ruptura en temperatura alta.
Topológicamente plano Fases Bolsas: Estos son generalmente indeseables,
fases frágiles que pueden formarse durante el tratamiento térmico o de servicio. La
estructura de la célula de estas fases se han apretada átomos en capas separadas
por distancias interatómicas relativamente grande. Las capas de átomos de Bolsas
de cerca están desplazados entre sí por átomos más grandes insertado, el desarrollo
de una característica "topología". Estos compuestos se han caracterizado por poseer
un topológicamente apretada (PCT) de la estructura. Por el contrario, Ni 3 Al
(gamma prime) es apretada en todas las direcciones y se llama geométricamente
apretada (GCP).
PCT ( , Μ, Laves, etc.) por lo general la forma como las placas (que aparecen como
agujas en un solo plano micro.) La placa-como la estructura afecta negativamente a las
propiedades mecánicas (ductilidad y la fluencia-rotura.) Sigma parece ser la más
perjudicial, mientras que la retención de la fuerza se ha observado en algunas aleaciones
que contengan mu y Laves. TCPs son potencialmente dañinos por dos razones: Atan y
"El fortalecimiento de los elementos en una forma no útil, reduciendo así la resistencia a la
fluencia, y pueden actuar como iniciadores de grietas debido a su naturaleza frágil.
3.1.2 Base Cobalto
Base Cobalto
Mantienen su resistencia a temperaturas elevadas.
Además de llevar metales refractarios y carburos metálicos, contienen niveles
elevados de cromo, lo que aumenta la resistencia a la corrosión.
Son más fáciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con más facilidad.
16
Se aplican para fabricar la laboriosa estructura de la cámara de combustión de las
turbinas de gas.
Otras aplicaciones
Industria aeroespacial.
Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.
Industria marina
Submarinos
Industria de Procesos químicos.
Reactores Nucleares.
Tubos de intercambiadores de calor.
Turbinas de gas industrial.
Industria aeroespacial.
Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.
Industria marina
Submarinos
Industria de Procesos químicos.
Reactores Nucleares.
Tubos de intercambiadores de calor.
Turbinas de gas industrial.
3.1.3 Base titanio
La densidad es mucho menor que las superaleaciones basadas en Co y Ni, sin
embargo la resistencia a elevadas temperaturas es bastante menor.
17
Hay materiales intermetálicos del tipo TiAl y Ti3Al, que prometen buenas
prestaciones mecánicas a temperaturas elevadas.
Aplicaciones
En los últimos diez años se han realizado avances tecnológicos en el desarrollo de
modernos motores de turbinas para aeroplanos, dirigibles y componentes de
superaleaciones de base níquel.
18
3.2 Diagramas de equilibrio, microestructura y cristalografía
Tipos de reacciones
Diagrama Cobre-Niquel
19
Diagrama Cobre-Niquel
Tipos de reacciones
20
Diagrama Hierro-Carbono
Superaleaciones refractarias
21
Las superaleaciones refractarias es un nuevo concepto que esta definido por aleaciones con
fases gama-fcc y gamma’ L-12 que cuentan con estructuras similares a las de las
superaleciones base Nickel, pero con mas altos puntos de fusion. El Iridio cuyo punto de
fusion es de 2443°C es el elegido para el metal base de estas superaleaciones refractarias.
Diagramas de fases son representaciones gráficas temperatura vs. composición a presión
constante, que permiten conocer:
1. las fases presentes para cada temperatura y composición
2. solubilidades a diferentes temperaturas de un componente en otro
3. temperatura de solidificación, etc.
22
Los diagramas de fases se construyen a partir de datos experimentales de Análisis Térmico
diferencial (ATD),
1. observación metalográfica y difracción de rayos X.
2. Regla de las fases (Gibbs)
FASES + GRADOS DE LIBERTAD = COMPONENTES + 2
( si la presión se mantiene constante F + L = C + 1 )
Clasificación simplificada de los diagramas de fases en metales
1. Solubilidad total en estado líquido
2. solubilidad total en estado sólido
presentan únicamente líneas de líquidus y sólidus, forman soluciones sólidas substitucionales
Reglas de Hume - Rothery (para que dos metales formen soluciones sólidas
substitucionales) deben cristalizar en el mismo sistema tener idéntica valencia igual
carácter electroquímico diámetros atómicos que no difieran en más del 15%
- insolubilidad total en estado sólido
- aparición de un punto invariante (eutéctico E)
- transformación eutéctica: Líquido--> Sólido A + Sólido B
- la curva de enfriamiento de una composición eutéctica sigue el mismo patrón que la de
un metal puro
- el eutéctico presenta una morfologia característica
- solubilidad parcial en estado sólido
- líneas de solvus
- soluciones sólidas terminales
23
- en aleaciones que presentan soluciones sólidas terminales en que disminuye la solubilidad
en estado sólido con la temperatura puede producirse un endurecimiento por precipitación
y posterior envejecimiento (ej. Al-Cu).
24
25
3.3 métodos de elaboración
3.3.1 Fusión
Para incrementar progresivamente la ley o contenido de las superaleaciones sometidas a
fundición, el proceso pirometalúrgico considera fases consecutivas de Fusión, Conversión
y Refinación.
Así se logra que la pureza inicial de 30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado,
se incremente progresivamente hasta 99,5% en el ánodo.
De las fases consecutivas, la fusión y la conversión son las más importantes por lo
determinantes que resultan en el proceso general.
La fusión tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separación de
fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en él.
La conversión elimina el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada, mediante
oxidaciones del baño fundido para obtener
un cobre final relativamente puro.
Hoy en día el proceso de fundición once etapas:
1. Recepción y manejo de materias primas e insumos.
2. Secado de concentrados.
3. Tostación parcial de concentrados.
4. Alimentación de concentrados al horno de fusión.
5. Fusión de concentrados.
6. Limpieza de escorias.
7. Granallado de eje alta ley y escorias.
8. Preparación y manejo de eje de alta ley.
9. Conversión de eje de alta ley.
10. Refinación y moldeo de ánodos.
11. Plantas de limpieza de gases.
En la figura de una secuencia clásica de etapas pirometalúrgicas se muestra el rango
aproximado de temperaturas involucradas. En su forma clásica, hay una secuencia
alternada de etapas endo y exotérmicas, siendo las más relevantes por su tamaño las
26
correspondientes a la fusión y la conversión. Secuencialmente, también hay un aumento
paulatino de la temperatura del sistema fundido.
Etapas del Proceso
Recepción y manejo de materias primas e insumos:
El proceso se inicia con la recepción y almacenamiento de los fundentes y otros insumos en
áreas especiales para el concentrado. Estos materiales, que son transportados por vía
marítima o terrestre, tienen un contenido de humedad que varía entre un 6% a 8% y
proviene de distintas fuentes de abastecimiento. Se descargan mediante correas
transportadoras tubulares o similares para evitar derrames y daños al medio ambiente.
Un equipo extrae el concentrado desde las camas de almacenamiento hacia el domo de
mezcla. La operación normal permite que mientras una de las camas se está llenando, la
otra se encuentre descargando a la planta. El domo de mezcla, cuya geometría es una
semiesfera metálica cerrada, debe tener capacidad suficiente para algunos días de
operación y estar ubicado en las inmediaciones del área de secado. El domo prepara
mediante una correa circular interna una mezcla homogénea de concentrado, para dar la
estabilidad operacional requerida por el proceso de fusión.
27
Secado de concentrados
El concentrado húmedo proveniente del domo de mezcla, es almacenado en tolvas desde
donde ingresa a las líneas de secado de cada equipo de fusión que cuenta con secadores
calefaccionados con vapor de agua En esta etapa la humedad original del concentrado
(entre 6% y 8%) se reduce a niveles que oscilan entre 0,2% y 0,3%.
El concentrado va reduciendo sus niveles de humedad a medida que avanza dentro un
tambor metálico. En el interior circula vapor a temperatura de 180ºC, por un serpentín
que permite la transferencia de calor por radiación y convección. El calor requerido para el
secado es suministrado por vapor saturado, a una presión de 20 bares, proveniente desde
calderas de recuperación de calor de los gases generados en el proceso de fundición y que
se encuentran asociadas a los respectivos hornos de fusión y conversión.
Los vahos producidos por el proceso de secado, compuestos por aire de purga (vapor de
agua desprendido del concentrado y polvo arrastrado), pasan a un filtro de mangas
donde se recuperan las partículas en suspensión, para ser dirigidas a las tolvas de
almacenamiento de concentrado seco. Los vahos limpios son descargados a la atmósfera.
El vapor condensado producto del proceso es conducido por cañerías a un estanque
recuperador de condesados para su reutilización.
Debido a que la temperatura de operación del secador es de 180 ºC, no se generará
emisión de SO2 al ambiente, ya que el azufre solo reacciona con el oxígeno a una
temperatura superior a los 300 ºC. En algunos casos puntuales, el grado de humedad del
concentrado a tratar se convierte en un parámetro importante, como en la alimentación a
los procesos de fusión flash, en los que el concentrado es transportado suspendido en aire
enriquecido o en oxígeno. Así, los procedimientos Outokumpu e INCO consideran una
etapa de secado de concentrado en un secador rotatorio previo a su tratamiento.
Outokumpu y Convertidor Teniente en particular, necesitan grados de humedad inferiores
al 0,2%.
Tostación parcial de concentrados.
La tostación consiste en la oxidación parcial de los sulfuros del concentrado y en la
eliminación parcial del azufre de éste como SO2 y ocurre según reacciones sólido-gaseosas,
a temperaturas de 500 a 800 ºC, dependiendo de los productos que se desea obtener.
28
La fase gaseosa contiene normalmente O2 y SO2 en la alimentación y productos y
cantidades menores de gases SO3 y SO2, dependiendo de las reacciones de oxidación.
Alimentación de concentrados al horno de fusión.
Una vez alcanzado el nivel de humedad requerido, el concentrado es descargado por
gravedad desde los secadores y transportado en forma neumática a tolvas intermedias. En
ellas se encuentran, simultáneamente, los polvos recuperados de diferentes partes del
proceso de fusión y el concentrado seco proveniente de los secadores. Junto a cada tolva
intermedia hay una tolva de almacenamiento de cuarzo fino; el cuarzo es requerido como
fundente para la formación de escoria producida por las unidades de conversión del eje
alta ley (FCF) y, en menor cantidad, escoria proveniente de la refinación anódica y
materiales recuperados de limpieza de canales, ductos y otros.
El concentrado seco, en conjunto con el cuarzo y en la dosificación adecuada, se extrae por
un círculo neumático operado en fase densa que lo conduce por una cañería hasta el
quemador del Horno Flash o de fusión inmediata, de tecnología Outokumpu.
Fusión de concentrados.
El objetivo de esta etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, compuesta
principalmente por calcosina (Cu2S), covelina (CuS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2) y
bornita (Cu5FeS4). En lo posible, debe contener todo el cobre alimentado, y otra fase
oxidada líquida adherida a la anterior, llamada escoria, ojalá exenta de cobre, compuesta
principalmente de silicatos de hierro. Los silicatos de hierro y los fundentes forman la
escoria. La mata de cobre contiene sulfuros de cobre y hierro, algunos metales preciosos y
otros elementos a nivel de trazas. La escoria, pobre en el metal, es caracterizada y
descartada directamente o sometida a una etapa adicional de recuperación del metal, si
su contenido es alto. La mata, en cambio, pasa a una etapa posterior de conversión por
oxidación.
Los concentrados sulfurados de cobre son básicamente combinaciones, en proporciones
variables, de sulfuros de hierro y cobre mezclados con ganga silícea ácido o básica. Las
reacciones que tienen lugar en el Horno de Fusión (HF) transcurren entre estos
29
constituyentes del concentrado y los fundentes, y corresponden principalmente a la
reducción de los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de
cobre por el sulfuro ferroso. Todo el sulfuro de cobre se descompone de acuerdo con las
siguientes reacciones:
La tecnología HF corresponde a un proceso de fusión-conversión continua de concentrados,
desarrollado por Outokumpu, que aprovecha el calor generado en las reacciones del
oxígeno presente en el aire del proceso, con los sulfuros de hierro contenidos en el
concentrado alimentado al reactor. Dependiendo principalmente de las características
mineralógicas o químicas del concentrado, de los flujos y enriquecimientos en oxígeno del
aire soplado, se generarán importantes cantidades de calor en el reactor, suficientes para
tener un proceso totalmente autógeno, donde se funden además, materiales fríos de
recirculación con cobre o carga fría, generada en el proceso productivo y utilizada para
regular la temperatura en el horno.
Los productos generados en este proceso son una fase rica en cobre, conocida como eje de
alta ley, con un 62%-70% de cobre, una escoria con un 1%-2% de cobre y 8%-12% de
Fe3O4, y una corriente continua de gases con un 30%-35% de SO2 en la salida del horno.
Concentración que dependerá principalmente del enriquecimiento en oxígeno del aire de
proceso.
La escoria generada en el HF es evacuada por un pasaje de sangría ubicado en el extremo
opuesto al punto de extracción del metal blanco, transferida por gravedad a través de
una canaleta inclinada, cerrada, refrigerada y recubierta por material refractario, a un
Horno Eléctrico de Limpieza de Escoria (en adelante HELE) para recuperar su contenido
de cobre. Ambas canaletas, tanto la que conduce la escoria al HELE, como la que conduce
el metal blanco a la etapa de granallado, se encuentran totalmente confinadas de tal
forma que los gases y vahos emanados por la extracción o sangrado de los productos
(metal blanco y escoria), sean captados y conducidos mediante ventilación a un sistema de
limpieza de gases secundarios, donde un filtro de mangas recupera las partículas en
30
suspensión (las que luego son recirculadas como carga fría al HF). Luego, los gases y vahos
son neutralizados y emitidos a la atmósfera.
Respecto de los gases metalúrgicos primarios producidos en el proceso (ricos en SO2), éstos
salen del HF por una torre refrigerada y pasan a una caldera donde se enfrían hasta
alcanzar una temperatura de 350 ºC. Transfieren su calor por radiación y convección a los
tubos de la caldera para producir vapor saturado de 60 bar de presión, que se utiliza en
múltiples aplicaciones como un medio calefactor en procesos de intercambio de calor. Los
gases primarios, limpios en partículas y ricos en SO22, son forzados por un ventilador de tiro
inducido y conducido a la Planta de Limpieza de Gases y el dióxido de azufre es utilizado
en la producción de ácido sulfúrico. El accionar de este ventilador permite inducir el flujo
de gases a través del horno y asegurar que no existirán fugas de gases con contenido de
SO2 al entorno.
El proceso de fusión ocurre a temperatura de 1.200 ºC, en un sistema fundido, con
suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a compuestos de alto punto de
fusión (léase sílice, magnetita, entre otros).
La reacción de producción de mata y escoria podemos representarla por:
Concentrado + Fundentes + Energía ------> Mata + Escoria + Gas (5)
Donde:
Mata: Cu2S, FeS, fundamentalmente.
Escoria: FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Cu2O, otros
Gas: O2, SO2, N2, CO, CO2, H2, H2O, otros.
Limpieza de escorias.
La escoria fundida producida por el HF es alimentada al HELE por la gravedad a través
de una canaleta cerrada y ventilada. La reducción del contenido de Fe3O44 permite
mejorar las propiedades fisicoquímicas de la escoria optimizándose la separación y, en
consecuencia, la sedimentación de las partículas de cobre. Así se logra la separación de las
dos fases fundidas presentes: metal blanco con un contenido de cobre de 70% y escoria
descartable con un contenido de cobre de alrededor de 0.70%. Los gases generados en el
HELE son captados y conducidos a un incinerador que permite asegurar la quema total
del carbón remanente no utilizado. Posteriormente, son mezclados con aire del sistema de
31
ventilación del horno y con los gases secundarios de proceso. Esta mezcla es enfriada y
conducida a un sistema de limpieza que permite la recuperación de material particulado.
Los gases además de limpiados son neutralizados previo a su emisión a la atmósfera.
Granallado de eje de alta ley y escorias.
En las operaciones modernas de fundición no se considera el transporte de materiales
fundidos entre las etapas de fusión y conversión, lo que reduce al mínimo las emisiones
fugitivas. Esto se consigue con la inclusión de etapas de granallado y molienda que
permitan transportar materiales en estado sólido.
El proceso realizado en las plantas de granallado consiste en la granulación del material
fundido, ingresa por la parte superior del pit o módulo de granulación y cae
gravitacionalmente al fondo de éste. Durante esta caída el material fundido entra en
contacto con agua pulverizada por un sistema de boquillas, con lo que el material se
solidifica en pequeños gránulos, que caen en el fondo del pit de granulación junto con el
agua inyectada. El material es recogido por un elevador de capachos perforados y luego
pasa por un harnero vibratorio, donde se separa el sobretamaño una alta tasa de
escurrimiento del agua. Las aguas utilizadas en el proceso de granallado (agua industrial)
son condensadas y recirculadas en su totalidad dentro del mismo proceso, lo que genera
una mínima emisión de vapor de agua.
Preparación y manejo de eje de alta ley.
El eje de alta ley granallado proveniente del HF se acumula en el domo de
almacenamiento. Una correa circular instalada al interior del domo permite la
homogeneización requerida por el proceso de conversión. Desde el domo, el eje de alta ley
es transferido mediante un equipo dosificador y una correa alimentadora móvil, a una
etapa de molienda y secado constituida por líneas en serie con una unidad de conversión.
Adyacente a la tolva de eje de alta ley se encuentra una tolva de cal fina, material
requerido como fundente para la formación y licuación de la escoria producida en el
proceso de conversión. La alimentación del eje de alta ley al quemador se efectúa por
medio de un sistema de pesaje gravimétrico (loss-in-weight feeder). Las tolvas de cal y
polvos poseen su propio sistema de pesaje (loss-in-weight feeder). Un sistema neumático,
(air slide) transporta la mezcla dosificada y pesada al quemador del horno de conversión.
32
Conversión de eje de alta ley.
En la etapa de conversión, el sulfuro ferroso se oxida formando dióxido de azufre, mientras
que el óxido ferroso se une con la sílice y cal para formar escoria, esencialmente ferrítica. El
calor de formación de esta escoria, junto con el producido en la oxidación del azufre y el
hierro, es suficiente para mantener los diferentes materiales en estado fundido. Cuando se
ha oxidado todo el azufre asociado con el hierro, el eje de alta ley (sulfuro cuproso)
también se oxida y, tan pronto como se ha formado una cantidad apreciable de óxido
cuproso, éste reacciona con el sulfuro cuproso para formar cobre blíster y dióxido de azufre,
según las siguientes reacciones que ocurren hasta que se consume prácticamente todo el
azufre:
Respecto de las impurezas presentes en el eje de alta ley, una parte importante del
arsénico, antimonio, plomo y zinc se volatiliza en forma de óxidos, mientras que la plata y
el oro permanecen en el cobre blíster.
La tecnología de conversión considerada en esta descripción de una fundición moderna,
corresponde a Hornos Flash u Hornos de Conversión Inmediata Outokumpu / Kennecott
(FCF).
Los principales insumos requeridos en el proceso de conversión son: cal fina (95% CaO
promedio), oxígeno técnico (95% O2, en promedio) y aire de distribución. El
enriquecimiento del aire en proceso es 70% de oxígeno promedio.
En la torre de reacción se encuentra el quemador donde se alimenta la carga. Una lanza
central, con aire enriquecido, facilita su distribución con la consecuente reacción el sulfuro
contenido, lo que genera el calor de fusión requerido para el correcto funcionamiento del
proceso.
Horno Flash. División
Ventanas.
33
El material se funde de manera instantánea (flash) produciendo cobre blíster, escoria y
gases metalúrgicos con altos contenidos de SO2 (35%-45%). La temperatura de la reacción
exotérmica alcanza hasta los 1.450 ºC y el calor generado es transferido a los productos
fundidos, gases metalúrgicos y al sistema de refrigeración de la torre constituido por
elementos de cobre refrigerados por agua, insertos en el revestimiento refractario de la
misma.
El calor retirado desde el horno por las chaquetas de cobre refrigeradas por agua, con
circuito cerrado de agua tratada e intercambiadores de calor, es eliminado mediante un
sistema secundario que no considera torres de enfriamiento, sino una solución radiactiva
conectiva mediante el uso de refrigeradores aleteados y ventiladores de aire forzado.
Los materiales fundidos son depositados en el decantador (settler) del FCF, que
corresponde a una estructura metálica rectangular revestida interiormente de refractarios
y elementos de enfriamiento similares a los de la torre de reacción, pero con geometría
distinta. Estos materiales son evacuados desde settler, una vez que la separación de fases
(blister y escoria) esté claramente definida debido a su diferencia de densidades y pesos
específicos.
El decantador del horno posee placas de sangría para blister y placas de escoria. Estas
canaletas que tienen una plancha metálica de acero refrigerada y recubierta con ladrillo
refractario, son selladas y ventiladas para evitar el escape de gases y mantener la
temperatura adecuada para el sangrado.
La producción de cobre blíster alcanzará un contenido promedio de cobre de 99.0%. La
secuencia de sangría del blíster fundido está configurada de acuerdo a la disponibilidad
operacional de los hornos de ánodos.
La escoria producida en el FCF es evacuada mediante canaletas selladas, de características
similares a las utilizadas para el blíster, hacia una etapa de granallado. Dado el contenido
metálico de la escoria granulada (17.6% de cobre), es transferida por camiones al área de
almacenamiento de concentrados para su reprocesamiento como carga fría al HF.
34
Refinación y moldeo de ánodos
El cobre blíster obtenido de la etapa de conversión aún contiene impurezas y materiales
valiosos tales como plata, oro, arsénico, antimonio, bismuto y hierro, por lo que debe ser
refinado en los hornos anódicos. La operación de los hornos de refinación es cíclica (batch) y
está constituida por las siguientes etapas: Llenado, Oxidación, Escoriado, Reducción y
Vaciado.
Cada horno opera de forma secuencial, de acuerdo con las cinco etapas mencionadas.
Completada la carga del horno, se inicia la etapa de oxidación, que permite remover el
sulfuro contenido en el blíster hasta un nivel de 50 ppm. Para tal efecto se inyecta al baño
fundido aire enriquecido con oxígeno. Adicionalmente se renuevan otras impurezas
contenidas en el cobre blíster, inyectándose vía toberas, si es necesario, pequeñas
cantidades de cal, que permiten la formación de una escoria que se descarta por sangrado
y posteriormente es recirculado.
Una vez limpio el metal, se inicia la etapa de reducción del nivel de oxígeno presente en el
baño fundido, mediante la inyección de gas natural fraccionado con vapor de aire. El
metal se extrae del horno de ánodos por una canaleta cubierta, a la rueda de moldeo que
va girando, produciéndose la soldificación del ánodo fundido por contacto con el aire
ambiente.
Rueda de Moldeo. División
Codelco Norte.
35
Un equipo especialmente diseñado, toma automáticamente los ánodos solidificándolos y
los deposita en estanques longitudinales de enfriamiento con agua. Desde los estanques, los
ánodos son sacados por un montacargas y depositados en un área dedicada.
Embarque de cátodos
Plantas de limpieza de gases
El objetivo de estas plantas de limpieza es acondicionar los gases metalúrgicos primarios
para su utilización como insumo en la producción de ácido sulfúrico (H2SO4). Los gases
emitidos por el HF están compuestos principalmente por SO2, humo, vapores metálicos y
partículas de cobre arrastradas. Los gases provenientes del FCF, están compuestos
fundamentalmente de SO2 y material particulado.
Ambos gases primarios, luego de pasar por los respectivos precipitadores
electrectroestáticos, se juntan en una cámara de mezcla común desde donde son
conducidos a las plantas de limpieza de gases.
El proceso de producción de ácido sulfúrico se lleva a cabo en tres fases: purificación de
gases, oxidación catalítica de SO2/SO3 y absorción.
La etapa de purificación o limpieza de gases tiene por objetivo acondicionar el gas,
retirando todos aquellos compuestos cuya presencia pueda significar una merma en la
eficiencia de producción de ácido sulfúrico o un daño al catalizador. Para ello, se contará
con una torre de lavado que permitirá el enfriamiento y limpieza de sólidos y humos
metálicos arrastrados; una sección de precipitadores de neblina húmeda y una torre de
secado, donde son mezclados con aire de dilución hasta alcanzar un contenido medio de
14% de SO2, apto par ser enviado a la sección de contacto u oxidación.
36
¿Cuál es el objetivo?.
El objetivo de la fusión es lograr el cambio de estado que permite que el concentrado pase
de estado sólido a estado líquido para que el cobre se separe de los otros elementos que
componen el concentrado.
¿Qué ocurre en la fusión?.
En la fusión el concentrado de aleacion es sometido a altas temperaturas (1.200 ºC) para
lograr el cambio de estado de sólido a líquido. Al pasar al estado líquido, los elementos que
componen los minerales presentes en el concentrado se separan según su peso, quedando
los más livianos en la parte superior del fundido, mientras que el cobre, que es más pesado
se concentra en la parte baja. De esta forma es posible separar ambas partes vaciándolas
por vías distintas.
Tradicionalmente la fusión puede realizarse de dos maneras, utilizando dos tipos de hornos:
el horno de reverbero para la fusión tradicional y el convertidor modificado Teniente
(CMT) que realiza en una sola operación la fusión y la conversión. En las divisiones de
Codelco no se utiliza el
horno de reverbero, sino que solo se realiza el proceso de fusión-conversión, utilizando el
horno de convertidor modificado.
37
Convertidor modificado Teniente: sistema de fusión - conversión
El concentrado sufre un proceso
de fusión. Se separa el eje de la
escoria.
El convertidor Teniente, desarrollado y patentado por la División El
Teniente de Codelco, es un horno basculante, formado por un cilindro
metálico de 5 m de diámetro por 22 m de largo, dispuesto en
posición horizontal y revestido por ladrillos refractarios en su interior.
Este horno está montado sobre un sistema de cremalleras que le
permiten oscilar.
¿Cómo funciona?
El convertidor Teniente es cargado en forma continua con
concentrado de cobre y sílice (cuarzo) por una abertura ubicada en
su parte superior. La sílice tiene por objeto captar el hierro contenido
en los minerales sulfurados fundidos y concentrarlo en la parte más liviana de la mezcla fundida.
En el proceso de fusión
conversión se separa la escoria
del metal blanco, la fase más
pesada y que contiene 70 a 75 %
de cobre.
El convertidor Teniente tiene un sistema de cañerías en el interior, las
cuales insuflan aire enriquecido con oxígeno, el cual permite la
oxidación del hierro y del azufre presentes en los minerales que
constituyen el concentrado. El hierro forma magnetita, que se
concentra en la escoria, y el azufre forma gases (monóxidos y
dióxidos) los cuales son evacuados a través de gigantescas chimeneas,
junto a otros gases, donde son captados en gran parte para producir
ácido sulfúrico (H2SO4).
Las reacciones que se producen producto de la oxidación de los
distintos elementos, y entre ellos, libera energía la que es
aprovechada para ayudar a la fusión.
En el convertidor Teniente los elementos se concentran en fases, de acuerdo a su peso:
Metal blanco : corresponde a la parte más pesada del material fundido y que se encuentra en la
parte baja del convertidor. Contiene un 70% a 75% de cobre.
Escoria : es la parte más liviana del fundido, la cual se envía de vuelta al horno de reverbero o a hornos
destinados a limpieza de escoria para recuperar el contenido de cobre que aún le queda.
38
3.3.2 Solidificación direccional
Solidificación direccional es una serie de medidas aplicadas para controlar la
alimentación de bastidores. Como la mayoría de metales y aleaciones solidifican,
cambiando del estado líquido al de estado sólido experimentarán una contracción
apreciable del volumen. Sin la atención a los principios del control, los objetos que el molde
contendrá encogimiento comúnmente llamado interno de los vacíos a “desertan”.
Algunas de las medidas aplicadas son el uso de frialdades, canalizaciones verticales, control
de la tarifa que vierte, temperatura que vierte, y el uso de exotérmico materiales.
Con el uso apropiado de las medidas, como el metal solidifica el interfaz para el límite
entre el líquido y el metal sólido se mueve hacia una fuente del metal adicional de la
alimentación y lejos de la región donde la solidificación comenzó.
La solidificación direccional se puede utilizar como proceso de la purificación. Puesto que la
mayoría de las impurezas serán más solubles en el líquido que en la fase sólida durante la
solidificación, las impurezas “serán empujadas” por el frente de la solidificación, causando
mucho de echar acabado para tener una concentración más baja de impurezas que el
material de la materia de base, mientras que el metal solidificado pasado será enriquecido
con las impurezas. Esta última parte del metal puede ser desechada o ser reciclada. La
conveniencia de la solidificación direccional en quitar un inmpurity específico de cierto
metal depende de coeficiente de la partición de la impureza en el metal en la pregunta,
según lo descrito por Ecuación de Scheil. La solidificación direccional se emplea con
frecuencia como paso de la purificación en la producción de multicrystalline silicio para
células solares.
La solidificación direccional (DS) es controlado por la solidificación del metal líquido para el
suministro continuo al frente de solidificación de la fundición de metal de alimentación.
Entre los métodos de solidificación direccional, el método de crecimiento Bridgman consiste
en calentar el material cristalino por encima de su punto de fusión y solidificación como
consecuencia de su tasa de crecimiento definidos y el gradiente de temperatura.
IMMS SAS para las necesidades de solidificación direccional poseen el aparato de Bridgman
modificado.
39
Opciones de utilización de la DS:
1. para producir los cristales individuales con orientación de los cristales definidos
2. eutéctica para producir materiales compuestos
3. para dilucidar la dependencia entre las condiciones de crecimiento y la
microestructura de las aleaciones de intermetálicos
4. el estudio del crecimiento celular a dendríticas por el cambio de los parámetros de
solidificación
5. para el estudio de las columnas de equiaxial transición de crecimiento de grano
6. para estudiar la evolución microestructural durante la solidificación y posteriores
transformaciones de estado sólido por la combinación de solidificación direccional
con los métodos de enfriamiento
7.
Eutéctica Ni-Al-Mo compuestos con DS Ti-46Al-2W-0.5Si (At.%) de aleación,
matriz intermetálicos reforzados por V = 1.18x10-4 ms-1. C - las partículas de Al2O3
Fibras Mo
La interfaz dendríticas templados en
40
Ni-21.7Al-7.5Cr-6.5Ti (At.%) después de aleación de
DS en V = 5.56x10-5 ms-1,
Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones de la
fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la
solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota.
En esta forma, el metal fundido continuará disponible en las mazarotas para prevenir los
vacíos de contracción durante la solidificación.
Se usa el término - solidificación direccional para describir este aspecto del proceso de
solidificación y sus métodos de control .
La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de
la fundición, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas.
Por ejemplo, al localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de
las mazarotas la solidificación aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal
líquido para el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las
secciones más voluminosas.
Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar enfriadores sumideros de calor
internos o externos que causan un, enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición,
Los enfriadores internos son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la cavidad
antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifiqué primero alrededor de
estas partes. El refrigerante interno debe tener una composición química igual a la del
metal que se vacía. Esto se logra fabricando el enfriador del mismo metal que la fundición.
El concepto de solidificación direccional se inició con los trabajos realizados, en 1960, por
técnicos de la General Electric.
41
Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En esta sección
examinaremos los mecanismos físicos de solidificación direccionalque ocurren durante la
fundición.
Solidificación de los metales
La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de
solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.
Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su
punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien
conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 2.3,
conocida como curva de enfriamiento.
La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el
cual el calor latente de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de
solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificación.
Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a una
velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento.
42
Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada película
inicial de metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de esta
película aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo
hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad del
enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades térmicas
del metal.
Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición.
Es interesante examinar la formación del grano metálico y su crecimiento durante este
proceso de
Solidificación direccional. El metal que forma la película inicial se ha enfriado rápidamente
por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento
causa que los granos de la película sean finos, equiaxiales y orientados aleatoriamente. Al
continuar el enfriamiento se forman más granos y el crecimiento ocurre en direcciones
alejadas de la transferencia de calor.
Como el calor se transfiere a través de la costra y la pared del molde, los granos crecen
hacia adentro como agujas o espinas de metal sólido. Al agrandarse estas espinas se
forman ramas laterales que siguen creciendo y forman ramas adicionales en ángulos rectos
con las primeras. Este tipo de crecimiento llamado crecimiento dendrítico del grano ocurre
43
no solamente en la solidificación de los metales puros, sino también en la de las aleaciones.
Estas estructuras tipo árbol se llevan a cabo en forma gradual durante el enfriamiento, al
depositarse continuamente metal adicional en las dendritas hasta completar la
solidificación. Los granos resultantes de este crecimiento dendrítico adoptan una
orientación preferente y tienden a ser burdos y alinearse en forma de granos columnares
hacia el centro de la fundición. La estructura granulada resultante se ilustra en la figura
Estructura cristalina característica del un metal puro, mostrando los granos, pequeños
orientados aleatoriamente cerca de las paredes del molde, y los granos columnares
grandes orientados hacia el centro de la fundición
Aleaciones en general.
Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas en lugar de una
temperatura única. El rango exacto depende de la aleación y su composición particular.
Se puede explicar la solidificación de una aleación con referencia a la figura 2.5, que
muestra el diagrama de fase de una aleación en particular y a la curva de enfriamiento
para una composición dada. Conforme desciende la temperatura, empieza la solidificación
en la temperatura que indica la línea liquidus y se completa cuando se alcanza la solidus.
El inicio de la solidificación es similar a la del metal puro. Se forma una delgada película en
la pared del molde debido a un alto gradiente de temperatura en esta superficie. La
solidificación continúa como para un metal puro, mediante la formación de dendritas
alejadas de las paredes.
Sin embargo, debido a la propagación de la temperatura entre liquidus y solidus, el
crecimiento de las dendritas es tal que se forma una zona avanzada donde el metal sólido
y el líquido coexisten. La porción sólida está constituida por estructuras dendríticas que se
44
han formado lo suficiente y han atrapado en la matriz pequeñas islas de líquido. La región
sólido-líquido tiene una consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda.
Dependiendo de las condiciones del enfriamiento, la zona blanda puede ser relativamente
angosta o puede ocupar la mayor parte de la fundición. Los factores que promueven la
última condición son una lenta transferencia de calor fuera del metal caliente y una
amplia diferencia entre liquidus y solidus. Las islas de líquido en la matriz de dendrita se
solidifican gradualmente al bajar la temperatura de la fundición hasta la temperatura
solidus que corresponde a la composición de la aleación.
Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es la composición de las
dendritas que al iniciar su formación son favorecidas por el metal que tiene el punto de
fusión mayor Al continuar la solidificación las dendritas crecen y se genera un desbalance
entre la composición del metal solidificado y el metal fundido remanente. Este desbalance
de composición se manifiesta finalmente como segregación de elementos en las fundiciones
terminadas. La segregación es de dos tipos, microscópica y macroscópica. A nivel
microscópico, la composición química varía a través de cada grano individual. Esto se debe
a que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporción más alta de uno de los
elementos de la aleación La dendrita crece a expensas del líquido remanente que ha sido
parcialmente agotado de este primer elemento. Finalmente, el último metal que solidifica
en cada grano es el que quedó atrapado en las ramas de las dendritas, cuya composición
es aún más desbalanceada. El resultado es una variación en composición química dentro
de cada grano de la fundición.
Estructura cristalina característica de fundición para una aleación, mostrando la
segregación de los componentes en el centro de la fundición.
45
A nivel macroscópico, la composición química varía a través de la fundición. Como las
regiones de la fundición que se solidifica primero (generalmente cerca de las paredes del
molde) son más ricas en un componente que en otro, la composición de la aleación
fundida remanente queda modificada cuando ocurre la solidificación en el interior. Se
genera entonces, una segregación general a través de la sección transversal de la fundición,
llamada algunas veces segregación de lingote como se muestra en la figura
Aleaciones eutécticas.
Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso general de solidificación de
las aleaciones. Una aleación eutéctica tiene una composición particular en la cual las
temperaturas sólidus y líquidus son iguales. En consecuencia, la solidificación ocurre a una
temperatura constante, y no en un rango de temperaturas como se describió para un
metal puro, el hierro fundido (4.3%C) son ejemplos de aleaciones eutécticas que se usan en
fundición.
Tiempo de solidificación
Si la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación toma tiempo. El
tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique
después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición
expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov que establece
Dado que n = 2, las unidades de Cm son (min/m2), su valor depende de las condiciones
particulares de la operación de fundición, entre las cuales se incluyen el material del molde
(calor específico y conductividad térmica), propiedades térmicas del metal de fundición
(calor de fusión, calor específico y conductividad térmica), y la temperatura relativa de
vaciado con respecto al punto de fusión del metal. La regla de Chvorinov indica que una
46
fundición con una relación de volumen a área superficial se enfriará y solidificará más
lentamente que otra con una relación más baja.
Este principio ayuda en el diseño de la mazarota del molde. Para cumplir su función de
alimentar metal fundido a al cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer
en fase líquida más tiempo que el de la fundición. En otras palabras, la TST para la
mazarota debe exceder la TST de la fundición principal. Como la condición del molde para
la mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán iguales.
Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos
estar más o menos seguros de que la fundición principal solidificará primero y se reducirán
los efectos de la contracción. Antes de considerar el diseño de la mazarota mediante la
regla de Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contracción, razón por la cual se
necesitan las mazarotas.
Contracción
Nuestro análisis de la solidificación ha omitido el impacto de la contracción que ocurre
durante el enfriamiento y la solidificación. La contracción ocurre en tres pasos: 1)
contracción líquida durante el enfriamiento anterior a 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. Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundición
cilíndrica hipotética hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura 2.7.
El metal fundido inmediatamente después de vaciado se muestra en la parte (0) de la
serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento, desde la temperatura de
vaciado hasta la temperatura de solidificación, causa que la altura del líquido se reduzca
desde el nivel inicial como en (1) de la Fig. La cantidad de esta concentración líquida es
generalmente alrededor del 0.5%. La contracción de solidificación que se observa en la
parte (2) tiene dos efectos.
Primero, la contracción causa una reducción posterior en la altura de la fundición.
Segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción superior del
centro de la fundición se restringe. Ésta es usualmente la última región en solidificar; la
ausencia de metal crea un vacío en este lugar de la fundición.
47
48
3.3.3 Metalurgia de Polvos
Se define como el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos.
En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este debe mantenerse
debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el
proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este
proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los
productos y otras de sus propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la
metalurgia de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se
complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con cobalto, tungsteno
o grafito según para qué va a ser utilizado el material que se fabrica.
El metal en forma de polvo es más caro que en forma sólida y el proceso es sólo
recomendable para la producción en masa de los productos, en general el costo de
producción de piezas producto de polvo metálico es más alto que el de la fundición, sin
embargo es justificable y rentable por las propiedades excepcionales que se obtienen con
este procedimiento. Existen productos que no pueden ser fabricados y otros no compiten
por las tolerancias que se logran con este método de fabricación.
El proceso de manera general consiste en:
1. Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza
2. Mezclado de los metales participantes
3. Conformado de las piezas por medio de prensas
4. Sinterizado de las piezas
5. Tratamientos térmicos
Diagrama para la producción de piezas por medio de polvos
49
producción y caracterización de polvos
El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de las piezas a
producir, por lo que se debe tener especial cuidado en la forma en la que se producen los
polvos. Las principales características de los polvos a considerar son:
1. Forma
2. Finura
3. Distribución
4. Capacidad para fluir
5. Propiedades químicas
6. Compresibilidad
50
7. Densidad
8. Densidad
9. Propiedades de sinterización
Forma
La forma del polvo depende de la manera en la que se produjo el polvo, esta puede ser
esférica, quebrada, dendrítica. plana o angular.
Finura
La finura se refiere al tamaño de la partícula, se mide por medio de mallas normalizadas,
las que consisten en cribas normalizadas, las que se encuentran entre las 36 y 850 micras.
Distribución de los tamaños de partículas
Se refiere a las cantidades de los tamaños de las partículas que participan en la
composición de una pieza de polvo, esta distribución de tamaños tiene gran influencia en
la fluidez y densidad de las partículas y en la porosidad final del producto.
Fluidez
Es la propiedad que le permite fluir fácilmente de una parte a otra o a la cavidad del
molde. Se mide por una tasa de flujo a través de un orificio normalizado.
Propiedades químicas
Son características de reacción ante diferentes elementos. También se relacionan con la
pureza del polvo utilizado.
Compresibilidad
Es la relación que existe entre el volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la
pieza comprimida. Esta propiedad varia considerablemente en función del tamaño de las
partículas de polvo y afecta directamente a resistencia de las piezas.
Densidad aparente
Se expresa en kilogramos por metro cúbico. Esta debe ser constante siempre, para que la
pieza tenga en todas sus partes la misma cantidad de polvo.
51
Facilidad de sinterización
La sinterización es la unión de las partículas por medio del calor. Dependerá del tipo de
polvo que se esté utilizando, por lo que existen tantas temperaturas de sinterización como
materiales utilizados.
Métodos para producir polvos
Todos los metales pueden producirse en forma de polvo, sin embargo no todos cumplen
con las características necesarias para poder conformar una pieza. Los dos metales más
utilizados para la producción de polvo para la fabricación de piezas son el cobre y el
hierro. Como variaciones del cobre se utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón
para pequeñas piezas de máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel,
plata, tungsteno y aluminio.
Existen diferentes formas de producir polvos metalúrgicos dependiendo de las
características físicas y químicas de los metales utilizados:
Con maquinado se producen partículas gruesas y se usan principalmente para producir
polvos de magnesio.
En el proceso de molido se tritura el material con molinos rotatorios de rodillos y por
estampado rompiendo los metales, por este método los materiales frágiles pueden
reducirse a partículas irregulares de cualquier finura.
El proceso de perdigonado consiste en vaciar metal fundido en un tamiz y enfriarlo
dejándolo caer en agua. En este proceso se obtienen partículas esféricas o con forma de
pera. La mayoría de los metales pueden perdigonarse, pero el tamaño de las partículas es
demasiado grande.
La pulverización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en aire o en agua. Es
un excelente método para la producción de polvo de casi todos los metales de bajo punto
de fusión como el plomo, aluminio, zinc y estaño.
Algunos metales pueden convertirse en polvo con una agitación rápida del metal mientras
se está enfriando. Este proceso se le conoce como granulación.
52
Otro procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata y algunos otros metales
es el de depósito electrolítico. Consiste en la inmersión del metal a pulverizar, como ánodos,
en tinas con un electrolito, los tanques actúan como cátodos, el hierro o metal a pulverizar
se mueve de los ánodos hacia los cátodos depositándose como un polvo fino que puede
posteriormente utilizarse con facilidad.
Polvos especiales
Polvos prealeados: Cuando se logra la producción de un polvo de un metal previamente
aleado con otro se mejoran considerablemente las propiedades de las piezas, en
comparación con las que tendrían con los metales puros. Una de las ventajas de este tipo
de polvos es que requieren menores temperaturas para su producción y que proporcionan
la suma de las propiedades de los dos metales unidos similares a las que se obtendrían con
la fundición.
Polvos recubiertos. Los polvos pueden ser recubiertos con determinados elementos cuando
pasan por medio de un gas portador. Cada partícula es uniformemente revestida, cuando
se sinteriza adquiere las propiedades del recubrimiento. Esto permite el uso de polvos más
baratos.
Conformación
Consiste en la acción de comprimir al polvo que fluyó a un recipiente con la forma deseada
de la pieza a producir. Existen varios métodos de conformación, a continuación se
presentan algunos de ellos:
Prensado. Los polvos se prensan en moldes de acero con la forma requerida, la presión
varía entre 20 y 1400 Mpa. Los polvos plásticos no requieren de altas presiones, como los
53
que son más duros. La mayoría de las prensas que fueron diseñadas para otros fines
pueden ser utilizadas para la producción de piezas de polvo. Pueden utilizarse prensas
hidráulicas sin embargo es más común que se usen las mecánicas debido a su alta
capacidad de producción.
Compactación centrífuga. Los moldes se llenan con polvos metálicos pesados y luego se
centrifugan para obtener presiones de hasta 3 Mpa. Con lo anterior se obtienen densidades
uniformes producto de la fuerza centrífuga en cada partícula de polvo. Posteriormente se
extraen las piezas de los moldes y se sinterizan con lo que adquieren su dureza final.
Conformación por vaciado. Las piezas para tungsteno, molibdeno y otros polvos se hacen
algunas veces por compactación por vaciado. Este procedimiento consiste en hacer una
lechada con el polvo del metal que se va a utilizar, esta se vacía en un molde de yeso.
Como el molde de yeso es un material poroso drena gradualmente dejando una capa
sólida del material metálico. Después de transcurrido el tiempo suficiente para tener una
capa lo suficiente gruesa, se sinterizan las piezas de manera normal. Para objetos huecos es
muy útil este procedimiento.
Extrusión
Para la fabricación de piezas largas producidas a partir de polvos metálicos, deben
producirse a través del proceso de extrusión. Los métodos a utilizar para este proceso
dependen de las características del polvo; algunos se extruyen en frío con un aglutinante y
otros se calientan hasta la temperatura de extrusión. Generalmente el polvo se comprime
en forma de lingote y posteriormente se calientan y sinterizan antes de pasarlos a la prensa
para la extrusión.
Compactado por explosivos. Como su nombre lo indica la fuerza necesaria para
compactar a un polvo en su molde adecuado puede ser producto de una explosión. El
procedimiento es sencillo y económico sin embargo además de peligros puede que su
control no sea del todo satisfactorio.
Sinterizado
Es el proceso por medio del cual con el aumento de la temperatura, las partículas de los
cuerpos sólidos se unen por fuerzas atómicas. Con la aplicación de calor, las partículas se
prensan hasta su más mínimo contacto y la efectividad de las reacciones a la tensión
superficial se incrementan. Durante el proceso la plasticidad de los granos se incrementa y
54
se produce un mejor entrelazamiento mecánico por la formación de un lecho fluido.
Cualquier gas presente que interfiera con la unión es expulsado. Las temperaturas para el
sinterizado son menores a la temperatura de fusión del polvo principal en la mezcla
utilizada.
Existe una amplia gama de temperaturas de sinterizado, sin embargo las siguientes han
demostrado ser satisfactorias.
Hierro 1095 °C
Acero inoxidable 1180 °C
Cobre 870 °C
Carburo de tungsteno 1480 °C
El tiempo de sinterizado varia entre los 20 y 40 minutos.
IMPREGNACIÓN
Los cojinetes de polvo metálico se pueden impregnar con aceite, grafito, cera u otros
lubricantes, se obtiene un cojinete sellado, libre de mantenimiento, con el lubricante ya
integrado, no se necesita lubricación desde el exterior. Estos productos se aplican en bujes,
bombas de agua, alternadores, motores de arranque y equipo similar.Las partes de
metales en polvo y todas las clases de colados como monobloques de motor, cajas de
engranajes, cuerpos de bomba y muchos más se impregnan para sellar los poros y evitar
fugas en servicio. esto se hace con silicato de sodio, resinas poliéster o polímeros
anaeróbicos.
INFILTRACIÓN
La infiltración consiste en reforzar el producto de polvo y hacerlo más denso al colocar una
pieza metálica sólida sobre la pieza formada con polvo y sinterizada para luego volver a
sinterizar ambas piezas. La segunda pieza se funde y la absorbe el objeto poroso hecho con
el polvo. Este proceso imparte cualidades de tenacidad, durabilidad, resistencia y densidad
al producto hecho con polvo metálico. polvo de hierro-cobre. La infiltración aumenta la
resistencia de 70% a 100%. Las partes de hierro pueden tener carbono agregado a la
55
mezcla original o carburizarse después del sinterizado, luego el tratamiento térmico de
temple y revenido.
TRATAMIENTO TÉRMICO
Los productos de polvos metálicos se pueden someter a tratamiento térmico por los
métodos convencionales para mejorar la dureza, tenacidad y otras propiedades
metalúrgicas deseables, el período de calentamiento debe ser más largo que para piezas
similares de material macizo, pero el enfriamiento debe ser más rápido, debe evitarse la
oxidación por medio de atmósferas protectoras. La oxidación puede disminuir la resistencia
y producir puntos débiles e impurezas en el objeto. Los problemas con la oxidación son más
serios con los metales en polvo que con los macizos.
ELECTRODEPOSICIÓN
Se pueden electrodepositarla mayoría de los metales en los productos de metal en polvo,
como cobre, oro, plata, cromo y otros. La porosidad de las piezas de metal en polvo
presentan algunos problemas que no se encuentran en los metales macizos, estas piezas se
suelen impregnar con sustancias resinosas o plásticas para evitar la absorción de la solución
electrolítica. Los objetos de polvos metálicos se pueden trabajar con operaciones similares
al punzonado y acuñado, se calientan después, para aumentar su dureza y tener más
uniformidad en la estructura y densidad de los granos.
MAQUINADO
El maquinado suele hacerse con métodos convencionales, que no requieren adaptaciones
al herramental o a las máquinas, no se usan aceites para corte, debido a la porosidad de
los objetos, como no se tiene enfriamiento, se genera un intenso calor durante el
maquinado, que disminuirá la duración de las herramientas de corte. En algunas
situaciones en las cuales se necesita utilizar lubricantes, se emplean líquidos volátiles y
disolventes, los cuales se evaporan con rapidez y no dejan manchas ni residuos.
OPERACIONES DE ACABADO
56
Estas imparten propiedades o características especificas a las partes de metal: la
infiltración, tratamiento térmico, impregnación y maquinado. Las partes de metal en
polvo pueden volverse a comprimir después del sinterizado. esto se denomina
dimensionado si se hace para mantener dimensiones y acuñado para aumentar la
densidad. La recompresión puede hacerse en prensas compactadoras o en prensas
ordinarias.
Las partes de precisión hechas a partir de los polvos, como engranajes, tiene que
determinarse el tamaño para incrementar su precisión y su densidad.
OPERACIONES DE ACABADO
Estas imparten propiedades o características especificas a las partes de metal: la
infiltración, tratamiento térmico, impregnación y maquinado. Las partes de metal en
polvo pueden volverse a comprimir después del sinterizado. esto se denomina
dimensionado si se hace para mantener dimensiones y acuñado para aumentar la
densidad. La recompresión puede hacerse en prensas compactadoras o en prensas
ordinarias.
DISEÑO DE PARTES DE METAL EN POLVO
Deben observarse varias reglas para diseñar partes en forma apropiada y mantener las
partes tan pequeñas como sea posible. Las formas más fáciles de comprimir son los
cilindros, cuadrados y rectángulos. Son mejores las piezas planas. Los pasos agregan
dificultad para obtener la homogeneidad. Deben evitarse aristas y esquinas agudas, filos
delgados y ranuras profundas ya que debilitan las herramientas, las preformas y las partes
terminadas. Una parte no debe tener contrasalidas que eviten que se saquen del dado
cuando se compactan. Las paredes que son muy delgadas se vuelven difíciles de llenar, la
longitud de una parte no debe exceder de dos a tres veces su diámetro. Se deben evitar
esquinas agudas en los ensanchamientos. Se deben tener un radio de curvatura en los
cambios de sección.
Las secciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre sí porque tienen diferente
expansión con el calor y causan grietas. Las paredes que son muy delgadas se vuelven
57
difíciles de llenar. La longitud de una parte no debe exceder de dos a tres veces su
diámetro. Las secciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre sí porque tienen
diferente expansión con el calor y causan grietas. Las tolerancias más prácticas son de más
o menos 20 um/ cm para diámetros y más o menos 30 um/ cm a lo largo. Los polvos
metálicos no llenan bien los dados que tienen bordes agudos. Deben preferirse diseños con
aristas redondeadas.
PRODUCCIÓN DE LOS POLVOS METÁLICOS Existen tres procesos principales para
producir el metal base y luego reducirlo a polvo. Normalmente los polvos se hacen con
metales que se han procesado en forma especifica para pulverizarlo. Algunos metales
destinados a la pulverización se producen con electrólisis, incluyen hierro, plata, tantalio y
cobre. Algunas aleaciones de hierro, níquel, cobalto, molibdeno y tungsteno tiene un alto
contenido de impurezas y se producen por reducción del metal en un horno. El
tratamiento en horno, debido a los gases y la oxidación , suele dejar mayor cantidad de
impurezas que en los metales producidos por electrólisis o en hornos de inducción.
58
La acción del molino de bolas se ilustra como una molienda continua que se realiza al girar
el tambor.
Trituración de polvos
El laminado de polvos puede producir tiras de metales difíciles de trabajar, refractarios o
reactivos.
59
Ventajas y limitaciones del proceso de producción por la metalurgia de los polvos
Ventajas
1. La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas
moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso.
2. Porosidad controlada
3. Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad
4. Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también piezas
de alta pureza.
5. No hay pérdidas de material
6. No se requieren operarios con alta capacitación
Limitaciones
1. Los polvos son caros y difíciles de almacenar
2. El costo del equipo para la producción de los polvos es alto
3. Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más
económicamente
4. Es difícil hacer productos con diseños complicados
5. Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con
los materiales de bajo punto de fusión.
6. Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio,
magnesio, zirconio y titanio.
7. Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.
Algunos productos fabricados por este procedimiento
Filtros metálicos
Carburos cementados
60
Engranes y rotores para bombas
Escobillas para motores
Cojinetes porosos
Magnetos
Contactos eléctricos
61
Acondicionamiento del polvo:.
Una vez obtenido el polvo metálico, es necesario añadir algunos elementos
acondicionadores para que se pueda trabajar correctamente. Los principales a
condicionantes son:
- Lubricantes: tienen como función reducir la fricción entre las partículas de polvo y de
estas con las paredes de la matriz durante la fase de compactado.
62
- Los aglutinantes: Se agregan para mejorar la unión de las partículas después del
compactado, mejorando la resistencia a la manipulación de la "pieza en verde" o cruda.
PRESIONES APROXIMADAS DE COMPACTACION PARA ALGUNOS POLVOS METALICOS
MATERIAL PRESION (Tons. /Sq. Inch)
Aluminio 5 a 20
Latón 30 a 50
Bronce 15 a 20
Acero (baja densidad) 25 a 30
Acero (media densidad) 30 a 40
Acero (alta densidad) 35 a 60
Tungsteno 5 a 10
TEMPERATURAS DE SINTERIZADO PARA ALGUNAS ALEACIONES Y MATERIALES
MATERIAL TEMPERATURA (°C)
Bronce 780 a 840
Aceros 1100 a 1300
Aleaciones de aluminio 560 a 600
Latón 850 a 950
Cobre 750 a 950
Metales duros 1200 a 1600
63
COMPARATIVO ENTRE DIFERENTES PROCESOS DE FABRICACION
PROCESO
UTILIZACION
DEL MATERIAL
(%)
ENERGIA POR
KILO DE PARTES
RESISTENCIA
MECANICA
POSIBILIDAD DE
REALIZACION DE
GEOMETRIAS
COMPLICADAS
VOLUMEN DE PIEZAS REQUERIDAS
PARA AMORTIZAR INVERSION DE
HERRAMENTAL
FUNDICION 90 30-38 BAJA NO BAJO
FORJA EN
CALIENTE 75-80 46-49 EXCELENTE NO MEDIO
EXTRUSION 85 41 BUENA NO MEDIO
PROCESOS DE
MAQUINADO 40-50 66-82 EXCELENTE SI ALTO
SINTERIZADO 97 29 BUENA SI MEDIO
64
3.4 Comportamiento mecánico
Dureza
Los resultados de las mediciones de dureza en las muestras sinterizadas a 1305°C,
homogenizadas a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C durante diferentes
tiempos se presentan en la Figura 5.
Figura 5. Dureza de las superaleaciones sinterizadas a 1305°C, homogenizadas
a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C a diferentes tiempos.
Como puede verse en esta figura en todos los casos en la medida que el tiempo de
envejecido es mayor la dureza de las muestras tiende a decrecer, asimismo, se tiene que a
menores temperaturas de homogeneizado esta dureza igualmente es menor. La
explicación de este comportamiento tiene su origen en el crecimiento anormal de los
precipitados formados durante el tratamiento de envejecido. La dureza reportada para
este tipo de aleación obtenida por fusión es de 30 RC [8], como se ve aquí se tienen valores
de dureza muy próximos a este, lo que es indicativo de que los resultados de dureza aquí
medidos están acordes a lo reportado en la literatura, de manera tal que si se logran
controlar y establecer mejor las condiciones del procesamiento para fabricar este tipo de
65
aleación por medio de metalurgia de polvos se podrá obtener una aleación con mejores
características mecánicas.
Resistencia a la tensión
Los resultados de las mediciones de resistencia a la tensión en las muestras sinterizadas a
1305°C, homogenizadas a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C durante
diferentes tiempos se presentan en la Figura 6. Como es de esperarse si la dureza de un
material disminuye su resistencia aumenta [3]. Tal y como se observa en la figura 6 la
resistencia de la aleación es mayor en la medida que el tiempo de envejecido también se
incrementa. Si bien las variaciones en resistencia no son muy significativas, estas se dan, lo
que indica que todas y cada una de las condiciones del procesamiento tienen una fuerte
influencia en las características finales de las aleaciones fabricadas y lo que da pauta a
optimizar estas condiciones para fabricar la aleación con las mejores características
mecánicas.
66
PROPIEDADES MECANICAS DE LAS ALEACIONES DE TITANIO
Parámetros que determinan la tenacidad de las aleaciones de titanio
Nivel de elementos intersticiales y substitucionales
Tamaño de grano
Morfología microestructural
Fracciones relativas de αy β
Textura cristalográfica
Las aleaciones con mejor combinación de resistencia y tenacidad son las βmetaestables,
cuya microestructura consiste en una elevada fracción de fase βcon precipitados muy finos
de α.
•Aleaciones α
FRACTURA : Clivajey Crecimiento ycoalescenciade cavidades
Aumentan esfuerzo de cizalladuracrítico para deslizamiento de dislocaciones,
disminuyendo la tenacidad
•Aleaciones β
Mecanismos: Nucleación y crecimiento de pequeñas cavidades en intercaras α/β.
Influencia fase ω-disminuye tenacidad de fractura
Aleaciones α/βα+β granos equiaxialesβplacas WidmanstättenDuctilidad mayor en la
α+βpero tenacidad de fractura mayor para la estructura de recocido en fase β
67
Efecto de las diferentes proporciones de las fases α y βen las propiedades a fatiga de la
aleación
ALEACIONES DE NIQUEL
Las propiedades mecánicas o propiedades de resistencia mecánica sirven en la mayoría de
los casos como base para dictaminar sobre un material metálico, con vistas a a un fin de
aplicación concreto. A continuación se da un resumen de las propiedades mecánicas más
importantes de las aleaciones de niquel, titanio y cobalto no sólo sometido a esfuerzo
continuo sino también , oscilante y por golpe.
1. Buenas propiedades mecánicas- Tensión, ruptura debido a fatiga del material y
deslizamiento de ruptura.
2. Altas y muy buenas propiedades de resistencia a punto cedente, resistencia de
deslizamiento y ruptura.
3. Alta resistencia al agrietamiento por tensión de corrosión causada por cloruros y sulfuros.
4. Resistente a corrosión acuosa y al agrietamiento por tensión de corrosión causado por el ión
cloro.
5. Resistente a alta temperatura.
6. Excelentes características para ser soldado, resistente al agrietamiento después de ser
soldado.
Resistencia en el ensayo de tracción: los importantísimos valores característicos que se
obtienen en el ensayo de tracción para juzgar las propiedades resistentes de los materiales
metálicos en general, son aplicables a las superaleaciones. Generalmente estos valores son
el límite elástico 0,2%, la resistencia máxima a la tracción, el alargamiento a la rotura, así
como la estricción de ruptura.
68
En general, la resistencia aumenta con el aumento en elementos de aleación. Los dominios
de la resistencia en cada aleación surgen, ante todo, como consecuencia delos aumentos de
resistencia que se consiguen por deformación en frío o endurecimiento por tratamiento
térmico. Los distintos elementos de aleación actúan de modo muy diferente en cuanto al
aumento de resistencia..
La superaleaciones tienen valores de tracción elevados y permanecen constantes aunque
haya aumentos en la temperatura Resultados de ensayos de tracción en caliente no
muestran correlación con la solución de la temperatura y sólo una débil correlación con
cualquier velocidad de enfriamiento y de mantener la temperatura secundaria. En
general, las muestras enfriado al ritmo más lento de la producción valores más bajos de
UTS y el rendimiento. Intermedio y las tasas de enfriamiento rápido producido similares los
resultados entre sí.
Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsíon: en las
superaleaciones se puede admitir que el valor del límite de aplastamiento 0,2% (
parámetro de la resistencia a la compresión ) es igual al valor del límite elástico 0,2% de
tracción. La resistencia a la compresión o el límite de aplastamiento 0,2% tienen
importancia principalmente en las piezas sometidas a compresión tales como cojinetes de
fricción.
1. La resistencia a la flexión en las aleaciones de niquel se tiene en cuenta para las de
fundición, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de tracción no es posible
determinar el límite elástico con suficiente exactitud a causa de su pequeño valor.
69
2. La resistencia al cizallamiento es importante para el cálculo de la fuerza necesaria
para el corte y para determinadas construcciones. No existen valores normalizados.
Generalmente está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción.
3. Casi nunca se determina la resistencia a la torsión, si se considera una distribución
lineal de tensiones, puede considerársela igual a la reistencia al cizallamiento.
Propiedades resistentes a temperaturas elevadas: al aumentar la temperatura, no
disminuyen la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza, en tanto que, en
general, no aumenta el alargamiento de rotura y la estricción de rotura. El factor tiempo
juega un papel esencial en la determinación de valores de resistencia para altas
temperaturas. Esta influencia se exterioriza de dos maneras:
Cambios de estado. Bajo la influencia de temperaturas elevadas se pueden
producir modificaciones permanentes en la estructura de los materiales que han
experimentado endurecimineto por deformación en frío, estas traen consigo una
disminución de la resitencia mecánica.
Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede experimentar
deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo, aumentando la velocidad en el
cambio de forma con el incremento de la temperatura y de la tensión. Al mismo tiempo
pueden surgir tensiones por debajo de la reistencia a la tracción o del límite elástico 0,2%.
Características de resistencia a bajas temperaturas: el comportamiento de los
metales a bajas temperaturas depende fundamentalmente de la estructura de su red
cristalina. El niquel con su red FCC ( ó CCC ) tiene la misma estructura que el cobre, el
aluminio o los aceros austeníticos, por eso no se presentan nunca en las aleaciones de
niquel a temperaturas bajas las complicaciones ( rápido descenso de la resiliencia, entre
otras ) que tienen lugar en los metales BCC, sobretodo en las superaleaciones.
Resistencia a la fatiga: la fatiga depende de una serie de factores. Además de la
composición, estado y procedimiento de obtención del material, hay que considerar la
clase y frecuencia de las solicitaciones y, especialmente, la configuración de los elementos
constructivos ( distribución de fuerzas, tensiones máximas, superficie ). La denominación
"resistencia a la fatiga" se utiliza como concepto genérico para todos los casos de solicitud
alternativas.
Para las aleaciones de niquel el límite de ciclos de carga está fijado en 10. Los
ensayos se hacen casi siempre con 5 10 ciclos. Los resultados de los ensayos de fatiga
70
alternativa presentan siempre una dispersión que no se disminuye aunque se utilicen
métodos más precisos de medición. Se deben, principalmente, a contingencias casuales que
intervienen al originarse la primera fisura y prosiguen en las fases iniciales de su expansión.
Influencia del material. La resistencia a la fatiga se aumenta mediante la formación
de soluciones cristalinas, la conformación en frío y el endurecimiento. En las aleaciones de
niquel para laminación y forja existe una clara diferencia entre las no endurecibles y las
endurecibles.
Influencia de la solicitación. Al juzgar los valores de la resistencia a la fatiga se ha de
tener en cuenta el tipo de solicitación ( tracción, compresión, flexión alternativa o rotativa
)y, ante todo, la posición de la tensión media o la relación de tensiones respectivamente.
Además, se ha de observar atentamente si se da la amplitud de resistencia a la fatiga o a
la máxima tensión superior.
Además de los anteriores factores, también influyen en la resistencia a la fatiga, los
máximos de tensión o efectos de entalladura, el estado superficial y del ambiente, la
soldadura y la temperatura.
Mecánica de la rotura. Tenacidad: el comportamiento en cuanto a la resistencia a
la rotura de un material es importante. En los elementos de construcción se presupone que
existen siempre fisuras de un determinado tamaño y que se dimensionan los elementos de
tal modo que estas fisuras no sobrepasan una magnitud crítica , dentro de un período de
vida previsto y sobre todo, que no aumenten de modo inestable. La carga puede ser
monotona estática u oscilante. También se puede tener en cuenta la carga de fluencia (
método más apropiado para los materiales de niquel ) o las grietas de corrosión bajo
tensión.
El valor característico utilizado con más frecuencia es el de la tenacidad a las fisuras
K , definido para el estado de tensiones uniforme como la concentración de tensiones crítica
en la punta de la fisura, que ocasiona la continuación del crecimiento de la misma. Los
valores altos de K significan alta tenacidad, siendo favorables, cuando también son
elevados los valores de resistencia a la tracción y el límite elástico.
Entre los valores de resistencia habituales obtenidos del ensayo de tracción y la
tenacidad a las fisuras no existe, en general, ninguna dependencia. Desde el punto de vista
cualitativo, la tenacidad alas fisuras desciende al aumentar la resistencia. El objetivo de la
71
investigación de los materiales es desarrollar los que tengan más resistencia y al mismo
tiempo mayor tenacidad a la rotura.
Resistencia al desgaste:la resistencia a la abrasión o al desgaste de los materiales de
aluminio es particularmente baja en el rozamiento en seco. No existe relación entre dureza
y resistencia mecánica por un lado y resistencia a la abrasión por el otro.
Los materiales de niquel sometidos a rozamiento, en determinadas circunstancias
de funcionamiento, muestran un comportamiento aceptable como prueban las numerosas
aplicaciones que tienen en cojinetes de fricción y émbolos. Debe mencionarse también que
el desgaste se puede reducir drásticamente por un tratamiento superficial apropiado.
ALEACIONES DE COBALTO
1. Resistencia al agua de mar y vapor de altas temperaturas.
2. Excelente resistencia al rápido fluido del agua de mar o agua salubre.
3. Excelente resistencia al agrietamiento por tensión de corrosión en la mayoría de aguas
dulces.
4. Particularmente resistente al ácido hidroclorhídrico e hidrofluórico cuando están
desaireados.
5. Ofrece algo de resistencia al ácido hidroclorhídrico y sulfúrico a temperaturas y
concentraciones moderadas, pero raramente es el material de opción para estos ácidos.
6. Excelente resistencia a sales alcalinas y neutras.
7. Resistencia al agrietamiento de tensión por corrosión inducido por cloruro.
8. Buenas propiedades mecánicas desde temperaturas bajo cero hasta temperaturas de
10200° F.
9. Alta resistencia a álcalis.
72
3.5 Oxidación y corrosión
TIPOS DE OXIDACION.
Oxidación lenta
La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su corrosión y
pérdida de brillo
Oxidación rápida
La que ocurre durante lo que ya sería la combustión, desprendiendo cantidades
apreciables de calor, en forma de fuego.
¿QUE ES LA CORROSION?
La corrosión; es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque
electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción
electroquímica (oxidación).
73
Tipos de corrosión
Corrosión Galvánica
Puede ocurrir cuando metales distintos se unen eléctricamente en presencia de un
electrolito (por ejemplo, una solución conductiva).
Se produce cuando un metal o no metal está conectado eléctricamente a otro distinto.
74
Corrosión uniforme
Es aquella corrosión que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la
pérdida regular del metal superficial.
Para aumentar la resistencia a este tipo de corrosión es sugerido elevar los niveles de
Cromo y Níquel
Corrosión por picaduras
Se produce en zonas de baja corrosión, el proceso produce unas pequeñas “picaduras” en
el cuerpo que afectan.
75
Ataque localizado, que se concentra en zonas muy pequeñas de la superficie.
Corrosión en hendiduras
Se produce en pequeñas cavidades o huecos formados por el contacto entre una pieza de
metal igual o diferente a la primera
Las adiciones de Cr y N aumentan la resistencia a la corrosión.
Corrosión selectiva
Es selectiva porque actúa sólo sobre metales nobles como al Plata-Cobre o Cobre-Oro.
Quizá la parte más nociva de esta clase de ataques está en que la corrosión del metal
involucrado, genera una capa que recubre las picaduras y hace parecer al metal corroído
como si no lo estuviera, por lo que es muy fácil que se produzcan daños en el metal al
someterlo a una fuerza mecánica.
76
Corrosión en la que uno o más componentes de la aleación se atacan preferentemente.
Corrosión ínter granular
Un tratamiento térmico inadecuado del acero inoxidable puede producir una retícula de
carburos en los aceros con más de 0,03% de carbono. Se puede producir por la exposición a
temperaturas entre 400 a 800ºC por un tiempo razonable (casos de grandes soldaduras).
Este ataque es muy común en algunos aceros inoxidables y aleaciones de níquel.
Corrosión por Erosión
Ocurre cuando el metal es sometido en un medio corrosivo y un proceso de desgaste
mecánico. Se caracteriza por la aparición de surcos, valles, hoyos que en general se
observan en la dirección del fluido. Por otra parte este desgaste también ocasiona la
abrasión de las películas protectoras de óxidos o cubiertas que lo protegen.
77
La erosión suele prevalecer en aleaciones blandas (aleaciones de cobre, aluminio y plomo).
Corrosión bajo tensiones
• Ataque de un material por la acción conjunta de dos causas: química (agresivo
químico) y física (tensión mecánica).
• Por separado, ninguna ataca al material.
• La progresión de la corrosión bajo tensión es de tipo arbóreo. Se da a temperaturas
superiores a 60°C.
Para combatir esta corrosión, se utiliza material con un alto nivel de Ni.
Corrosión microbiológica
Se produce generalmente en medios acuosos en donde los metales están sumergidos o
flotantes. Por lo mismo, es una clase común de corrosión.
78
Los organismos biológicos presentes en el agua actúan en la superficie del metal,
acelerando el transporte del oxígeno a la superficie del metal, acelerando o produciendo,
en su defecto, el proceso de la corrosión
METODOS PARA EVITAR LA CORROSION
Muchos métodos se emplean industrialmente para evitar la corrosión, mediante la
selección de la aleación y estructura propias o por medio de protección de la superficie de
un material dado. Los metodos más importantes son:
Utilización de metales de alto grado de pureza
Empleo de adiciones de aleación
Utilización de tratamientos térmicos especiales
Diseño adecuado
Protección catódica
Empleo de inhibidores
Revestimientos superficiales
En la mayoría de los casos, la utilización de metales con alto grado de pureza tiende a
reducir la corrosión por agujeros en la superficie, minimizando las inhomo- geneidades, con
lo cual se mejora la resistencia a la corrosión.
Las adiciones de aleación pueden reducir la corrosión mediante diversos métodos por
ejemplo, los aceros austeníticos inoxidables, cuando se enfrían a través de un intervalo de
temperatura desde unos 900 hasta 1400, precipitan carburos de cromo en las fronteras de
grano, precipitación que agota el cromo en las fronteras y las hace más susceptibles a
corrosión intergranular.
Este tipo de corrosión puede evitarse ya sea reduciendo el contenido de carbono a un valor
bajo convirtiendo el carburo a una forma más estable. El último método se utiliza más
ampliamente e incluye la adición de titanio o columbio. Estos elementos tienen gran
afinidad por el carbono, produciendo carburos muy estables que no son solubles en
austenita a alta temperatura.
79
Esto deja muy poco carbono disponible para combinarlo con el cromo y da como resultado
lo que se conoce como acero inoxidable estabilizado. Algunas adiciones de aleación
mejoran la resistencia a la corrosión formando películas de óxido superficial no porosas y
adherentes o ayudando a su formación. Esto es particularmente cierto en adiciones de
manganeso y aluminio a aleaciones al cobre, en adiciones de molibdeno a aceros
inoxidables y en adiciones de magnesio a aluminio.
El diseño adecuado debe mantener contacto con el agente de corrosión a un mínimo. Las
uniones deben diseñarse adecuadamente para reducir la tendencia a que los líquidos
entren y sean retenidos. El contacto entre materiales alejados en la serie electromotriz debe
evitarse; en caso contrario, deben separarse por hule o plástico para reducir la posibilidad
de corrosión galvánico.
Hay cuatro métodos para evitar la oxidación:
1) mediante aleaciones que lo convierten en químicamente resistente a la corrosión, es
el más satisfactorio pero también el más caro. Un buen ejemplo de ello es el acero
inoxidable, una aleación de hierro con cromo o con níquel y cromo. Esta aleación está
totalmente a prueba de oxidación e incluso resiste la acción de productos químicos
corrosivos como el ácido nítrico concentrado y caliente.
2) amalgamándolo con materiales que reaccionen a las sustancias corrosivas más
fácilmente que el hierro, quedando éste protegido al consumirse aquéllas. Es
igualmente satisfactorio pero también costoso. El ejemplo más frecuente es el hierro
galvanizado que consiste en hierro cubierto con cinc. En presencia de soluciones
corrosivas se establece un potencial eléctrico entre el hierro y el cinc, que disuelve éste y
protege al hierro mientras dure el cinc.
3) recubriéndolo electrolíticamente con una capa impermeable que impida el contacto
con el aire y el agua, es el más barato y por ello el más común. Este método es válido
mientras no aparezcan grietas en la capa exterior, en cuyo caso la oxidación se produce
como si no existiera dicha capa. Si la capa protectora es un metal inactivo, como el
cromo o el estaño, se establece un potencial eléctrico que protege la capa, pero que
provoca la oxidación acelerada del hierro.
4) pinturas, los recubrimientos más apreciados son los esmaltes horneados, y los menos
costosos son las pinturas de minio de plomo.
80
Algunos metales como el aluminio, aunque son muy activos químicamente,no suelen
sufrir corrosión en condiciones atmosféricas normales. Generalmente el aluminio se
corroe con facilidad,formando en la superficie del metal una fina capa continua y
transparente que lo protege de una corrosión acelerada . El plomo y el cinc, aunque son
menos activos que el aluminio, están protegidos por una película semejante de óxido.
El cobre, comparativamente inactivo, se corroe lentamente con el agua y el aire en
presencia de ácidos débiles como la disolución de dióxido de carbono en agua (que
posee propiedades ácidas),produciendo carbonato de cobre básico, verde y poroso. Los
productos de corrosión verdes, conocidos como cardenillo o pátina, aparecen en
aleaciones de cobre como el bronce y el latón, o en el cobre puro, y se aprecian con
frecuencia en estatuas y techos ornamentales.
Los metales llamados nobles son tan inactivos químicamente que no sufren corrosión
atmosférica. Entre ellos se encuentran el oro, la plata y el platino.
La combinación de agua, aire y sulfuro de hidrógeno afecta a la plata, pero la
cantidad de sulfuro de hidrógeno normalmente presente en la atmósfera es tan escasa
que el grado de corrosión es insignificante, apareciendo únicamente un
ennegrecimiento causado por la formación de sulfuro de plata. Este fenómeno puede
apreciarse en las joyas antiguas y en las cuberterías de plata.
La corrosión en los metales supone un problema mayor que en otros materiales.
81
Tratamiento
Decapado Limpieza de la superficie de un metal, para luego, ser galvanizado, cromado, pintado, etc.
1 - Bajas concentraciones 4/7% y altas temperaturas 70° 2 - Altas concentraciones 15/20% y bajas temperaturas 40°
-
Pretratamientos superficiales
Tratar las superficies, para eliminar zonas de diferente polaridad, pulir la superficie
Orgánicos Grasa Aceites
Inorgánicos Aceites minerales Restos de fundentes
-
Métodos de protección
Las superficies deben estar limpias Térmicos
amalgamas Cincado Þ cinc fundido
Estañado Þ estaño fundido Electrolíticos Þ Cromado, Cadmiado, Dorado Enchapado Þ Emplomado (Lámina de plomo 75% - estaño
25%) Metalizado Spray metal en polvo a altas temperaturas
Reactivos especiales a altas temperaturas Nitrurado Þ con amoníaco a 500°
Inorgánicos Esmaltado 1ro: cuarzo + bórax + feldespato 2do: cuarzo + bórax + titanio
Orgánicos Pinturas
82
3.6 Cambios en la microestructura durante su exposición a
temperaturas elevadas
Alotropía
El fenómeno alotropía o polimorfismo se presenta en los elementos y compuestos que
existen en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y
presión
Muchos metales industrialmente importantes como:
Hierro
Titanio
Cobalto
Experimentan transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y presión
atmosférica.
Este fenómeno de la alotropía, se debe a que los átomos que forman las moléculas, se
agrupan de distintas maneras, provocando características físicas diferentes como:
Color
Dureza
Textura
83
El agua es un ejemplo práctico y común, ya que lo podemos encontrar en los estados:
Solido (Hielo)
Liquido
Gaseoso
En el caso del carbón mineral, que esta sometido a altas temperaturas y alta presión,
provoca que se reorganicen las moléculas formando cristales como el diamante.
La alotropía se debe a algunas de las razones siguientes:
Un elemento tiene dos o más clases de moléculas, cada una de las cuales contiene
distintos números de átomos que existen en la misma fase o estado físico.
84
Un elemento forma dos o más arreglos de átomos o moléculas en un cristal.
Ejemplo el diamante (la estructura molecular es tridimensional) y el grafito (su
estructura es laminar plana)
En conclusión:
Tenemos que la alotropía es la característica que tienen algunos elementos
de presentarse en dos o más formas bajo el mismo estado físico.
Las formas diferentes de estos elementos se llaman alótropos.
Los materiales para alta temperatura y en particular las superaleaciones son ampliamente
utilizadas en la industria de la generación de electricidad y en la industria aeronáutica.
En todos los casos se trata de aumentar la temperatura de trabajo de las máquinas, con la
finalidad de mejorar su rendimiento y además producir una mejora en el quemado de
combustible que redunda directamente en una disminución de la contaminación
ambiental.
Las propiedades mecánicas de muchas superaleaciones dependen fuertemente de la
precipitación de la fase denominada g´. Esta fase tiene una estructura ordenada del tipo
L12 basada en el Ni3 Al. Los precipitados de la fase g' están inmersos en una matriz de
estructura f.c.c. que es fundamentalmente una solución sólida .
La cinética del crecimiento de estos precipitados depende de una fuerza impulsora de
origen termodinámico. Si esta fuerza se debe fundamentalmente el decrecimiento de la
energía interfacial, entonces los pequeños precipitados se disuelven, los grandes crecen, y en
consecuencia la cinética está controlada por una difusión en volumen en la cual el soluto es
transferido de las partículas que se disuelven a las partículas que están creciendo.
85
Este tipo de crecimiento ya fue predicho por Lifshitz and Slyozov y por Wagner, teoría
conocida como (LSW). La teoría predice el crecimiento en función del tiempo como el cubo
del radio medio de las partículas.
La teoría no tiene en cuenta la fracción en volumen de los precipitados sobre el
crecimiento de los mismos y tampoco toma en cuenta el efecto de los campos de tensiones
debido al desajuste entre la matriz y el precipitado. La magnitud y el signo del desajuste se
definen en función de los parámetros de red del precipitado y de la matriz d = (ag´ - ag ) /
ag donde ag es el parámetro de red de la matriz y ag´ el del precipitado.
De acuerdo con las características de este desajuste es la morfología del precipitado: los
precipitados esféricos generalmente se observan cuando el desajuste es menor que
aproximadamente 0,3%. Para desajustes más grandes, 0,3-1,0%, los precipitados g' asumen
una morfología en forma de cubo. En aleaciones en que el desajuste es mayor al 1% se
observan precipitados en forma de disco. La morfología de estos precipitados se conserva
en función del tamaño hasta el momento en que colapsan.
Este desajuste es el responsable del campo de tensiones entre los precipitados. Cuando es
aplicado un campo de tensiones externas se observa un proceso de crecimiento
unidireccional formando listones. Este comportamiento es el llamado crecimiento
direccional.
Si el precipitado es cuboidal, el crecimiento bajo un campo de tensiones externo crece
formando varillas paralelas a las direcciones cuando el desajuste g/g´ es positivo (ag´ > ag ),
y crece preferencialmente a lo largo de la dirección normal a la tensión aplicada cuando el
desajuste es negativo (ag´ < ag ).
Este fenómeno genera una muy importante anisotropía de la microestructura creando en
general una disminución en las propiedades mecánicas, pues la fase precipitada dejaría de
ser un centro de anclaje de las dislocaciones, aunque el tema está todavía en discusión.
Diversos autores realizaron experiencias con campos de tensiones aplicados de diferentes
formas [3] utilizando improntas de dureza, probetas de tracción [4], ensayos de
termofluencia [5, 6, 7], tensiones por curvatura [8].
86
Para la explicación de este fenómeno se trataron de desarrollar distintos modelos, en todos
los casos los modelos se refieren a una difusión de los elementos aleantes en los canales
entre las g’ primarias, por un proceso principalmente de difusión de aluminio y titanio.
En todos estos trabajos se toma en consideración solamente la fase g’ primaria, ninguno de
ellos toma en consideración la posible presencia de la fase g’ secundaria en los canales
entre la g’ primaria. Según sea el tipo de aleación esta g’ secundaria de tiene
aproximadamente un tamaño de 0,05 micrones, visible sólo por microscopía electrónica de
transmisión. En los trabajos mencionados anteriormente los estudios se basan
fundamentalmente en la g’ primaria, sin tener en cuenta los efectos de la fase g’
secundaria y su posible alineación u efecto sobre la alineación de la g’ secundaria.
87
Estas temperaturas y los tiempos de tratamientos necesarios producen una modificación
muy importante de la microestructura de la aleación, fundamentados principalmente en
un fuerte engrosamiento del grano que modifica por tanto el comportamiento mecánico
de los materiales con posterioridad al tratamiento de sinterización.
Los dos materiales más ampliamente utilizados como implantes, aleaciones base cobalto y
titanio, tienen respuestas diferentes, por lo que serán estudiadas de manera independiente
tanto en la modificación de propiedades como en los tratamientos posteriores de
solubilización, prensado en caliente, estabilización de la microestructura, etc.
Estos estudios se llevan a cabo mediante microscopía óptica y electrónica de barrido,
comparándose cada estado microestructural con las propiedades mecánicas en cada uno
de ellos.
Las aleaciones base cobalto muestran una fuerte tendencia a la precipitación de carburos
en borde de grano, junto a la formación de constituyentes eutécticos en zonas de fusión
incipiente que pueden aparecer con las elevadas temperaturas de tratamiento.
Las aleaciones de titanio desarrollan una microestructura basada en placas de fase _
rodeadas de finas placas de fase _, que disminuye fundamentalmente la resistencia a
fatiga de estas prótesis, precisando por lo tanto de tratamientos complementarios de
estabilización que destruyan la microestructura del tipo Widmanstätten y aumenten con
ello su comportamiento mecánico, y sobre todo el dinámico.
88
En las aleaciones de cobalto, las elevadas temperaturas, alrededor de 1285 ºC, producen
áreas de fusión incipiente que producen la precipitación carburos M23C6 en el borde de
grano con estructura tipo Widmasttaeten. Estas estructuras disminuyen las propiedades
mecánicas del material. Los tratamientos posteriores a la sinterización como el prensado
isostático en caliente y la solubilización rompe la estuctura de placas de los carburos,
mejorando sensiblemente las propiedades del material.
Al igual que en todas las aleaciones monofásicas, la microestructura del titanio c.p.
depende del proceso de conformación y del posterior tratamiento de recocido realizado.
Además, si se enfría el material desde temperaturas superiores a la temperatura β-transus,
la microestructura también está influenciada por la velocidad de enfriamiento. Todos estos
factores hacen posible la obtención de tres microestructuras diferentes.
La microestructura equiaxial se obtiene cuando se trabaja en frío el titanio y
posteriormente se realiza un recocido a temperaturas inferiores a la temperatura β-
transus (figura 1.2 a). Un enfriamiento rápido desde la región de fase β produce una
estructura martensítica con celda hexagonal, denominada fase α=, en la que los granos
originales de fase β quedan perfectamente delimitados (figura 1.2 b). A diferencia de los
aceros, el efecto de endurecimiento producido por la martensita en el titanio c.p. es
reducido, debido al gran tamaño de grano y a la inexistencia de supersaturación por
átomos intersticiales.
89
La tercera microestructura se obtiene por el enfriamiento lento desde temperaturas
superiores a la β-transus, es la fase α en forma de placas con un crecimiento
Widmanstätten (figura 1.3). En el titanio de alta pureza esta estructura se conoce como
fase α serrada, mientras que la presencia de impurezas produce un efecto de placas en
forma de cesta.