Valoración de propiedades mecánicas de aleaciones CuSn refinadas con zirconio

Abstract

RESUMEN: La mayoría de las propiedades mecánicas de una pieza metálica dependen del tamaño de grano; a menor tamaño de grano se logra mayor resistencia mecánica. Dentro del grupo de aleaciones de Cu se encuentran las aleaciones Cu-Sn; éstas son un grupo de aleaciones base Cu aleadas con estaño (Sn) con algunas trazas de fósforo (P), que son utilizadas a nivel industrial por sus requisitos de buena resistencia a la corrosión, tenacidad, bajo coeficiente de fricción, de utilidad en aplicaciones como arandelas de sujeción, bujes, resortes y discos de embrague. Durante el proceso de solidificación de un metal o aleación metálica desde el estado líquido se producen transformaciones de fase por mecanismos de nucleación y crecimiento. La nucleación se refiere a la formación de pequeños embriones a partir del líquido, puede ser homogénea o heterogénea. Una vez formados los embriones con tamaño crítico, gracias a la reducción de la energía superficial y al sobreenfriamiento logrado por la disminución de la temperatura, éstos forman núcleos estables que van creciendo espacialmente, formando una estructura conocida como estructura dendrítica, sumando además variaciones de composición en el metal solidificado. Dichas estructuras as-cast, no son favorables para la obtención de buenas propiedades en las aleaciones metálicas; de tal forma que se requieren procesos que promuevan la formación de una estructura no segregada y equiaxial dendrítica con tamaño de grano fino. Uno de estos procesos involucra el empleo de técnicas de inoculación al metal líquido antes de que ocurra el proceso de solidificación. La refinación del tamaño de grano se obtiene mediante la inoculación del metal líquido, con lo cual se provee de un gran número de núcleos dentro del metal líquido, que posibilitan posteriormente la obtención de muchos granos finos. El principal objetivo en la realización de esta investigación fue el de establecer el efecto que tiene el Zr, empleado como refinador de grano sobre las propiedades mecánicas de aleaciones Cu-Sn. La utilización de software de simulación de los procesos de solidificación permitió diseñar las piezas, de las cuales se extrajeron las muestras para la realización de los ensayos de tracción, dureza y análisis micro y macroestructural. Las muestras fueron analizadas mediante diferentes técnicas: a) Observación de macroestructura de granos, b) análisis químico, c) examen de microestructura en microscopia óptica, microscopia electrónica de barrido (MEB) con microanálisis de espectroscopia de energía dispersiva (EED), d) microscopia electrónica de barrido (MEB) de la superficie de fractura. Se observó que la adición de Zr en un contenido de 0,32%peso a los baños líquidos de las aleaciones Cu2Sn, Cu4Sn y Cu8Sn con una fuente de carbono, redujo el tamaño de grano hasta un 85%. Esta reducción del tamaño medio de grano estuvo acompañada de un aumento de la resistencia última (UTS), cedencia (y), resistencia a la rotura (rot) dureza (HB) y reducción de la ductilidad (% alargamiento) para estas aleaciones. El análisis con MEB de las superficies de fractura de las probetas utilizadas en el ensayo de tracción, mostró la transición de la estructura columnar dendrítica a una estructura equiaxial dendrítica, así mismo, se pudo observar un tipo mixto de fractura: desprendimiento dendrítico y coalescencia de microcavidades para estas aleaciones.

ABSTRACT: Most of the mechanical properties of a metal part depend on the grain size, at a smaller grain size, greater mechanical strength. Within the group of Cu alloys are the Cu-Sn alloys; these are a group of base alloys Cu, tin-alloyed (Sn) with some traces of phosphorus (P), which are used industrially for the requirements of good corrosion resistance, toughness, low coefficient of friction, useful in applications such as clamping washers, bushings, springs and clutch discs. During the solidification process of a metal or metal alloy from the liquid state, are produced phase transformations by nucleation and growth mechanisms. The nucleation, which, refers to the formation of small embryos from the liquid can be homogeneous or heterogeneous. Once the embryos with critical size have been formed, thanks to the reduction of surface energy and the supercooling achieved by the decrease in temperature, they form stable nuclei that grow spatially, forming a structure known as dendritic structure, also adding compositional variations in solidified metal. Such as-cast structures are not favorable for obtaining good properties in metal alloys; in such a way that processes that promote the formation of a non-segregated and dendritic equiaxial structure with fine grain size are required. One of these processes involves the use of liquid metal inoculation techniques before the solidification process occurs. The refinement of the grain size is obtained by inoculating the liquid metal, thereby providing many nuclei within the liquid metal, which subsequently make It possible to obtain many fine grains. The main objective in this research was to establish the effect that Zr has, used as a grain refiner on the mechanical properties of Cu-Sn alloys. The use of simulation software for the solidification processes allowed the design of the pieces, from which the samples extracted for conducting the tensile, hardness and micro and macrostructure analysis. The samples were analyzed using different techniques: a) Observation of grain macrostructure, b) chemical analysis, c) microstructure examination in optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) with dispersive energy spectroscopy (EED) microanalysis, d) scanning electron microscopy (SEM) of the fracture surface. It observed that the addition of Zr in a content of 0.32% by weight to the liquid baths of the Cu2Sn, Cu4Sn and Cu8Sn alloys with a carbon source reduced the grain size to 85%. This reduction in average grain size was accompanied by an increase in ultimate strength (UTS), yield (𝜎y), resistance to break (rot), hardness (HB) and reduction in ductility (% elongation) for these alloys. The analysis with SEM of the fracture surface so the test specimens used in the tensile test, showed the transition of the dendritic columnar structure to a dendritic equiaxial structure, likewise, a mixed type of fracture could observed: dendritic detachment and coalescence of micro cavities for these alloys.