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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:
“INFLUENCIA DE LOS ADITIVOS DE ALUMINIO SOBRE LA FLUIDÉZ,
DUREZA, RESISTENCIA A LA TRACCIÓN, ZINC EQUIVALENTE Y
MICROESTRUCTURA DEL LATON 85Cu5Zn5Sn5Pb FUNDIDO Y COLADO EN MOLDE DE ARENA EN VERDE” AUTORES: Br. Sánchez valencia Francisco Oswaldo Br. Vaca Huamanchumo Julio Aaron ASESOR : Dr. Luis Wilfredo Aguilar Rodríguez CO - ASESOR : MSc. Aldo Roger Castillo Chung
TRUJILLO – PERÚ
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Palabras clave: Influencia, aditivos, aluminio, fluidez, latón, solidificación, dureza, zinc equivalente, microestructura, molde de arena I. GENERALIDADES
1. Título: “ Influencia de los aditivos de aluminio sobre la fluidez, dureza, resistencia a la tracción, zinc equivalente y microestructura del latón 85Cu5Zn5Sn5Pb fundido y **colado en molde de arena en verde”
- Personal investigador:** 2.1. Autores: 2.1.1. Investigador N° 1: Apellidos y nombres: Sánchez Valencia Francisco Oswaldo Grado académico: Bachiller en Ingeniería Metalúrgica Dirección: Mz A Lt 38. Urb Las casuarinas 2.1.2. Investigador N° 2: Apellidos y nombres: Vaca Huamanchumo Julio Aaron Grado académico: Bachiller en Ingeniería Metalúrgica Dirección: A.V La Marina 105 Mz F Lote 9 Moche 2.2. Asesor: Nombre y apellidos: Aguilar Rodríguez Luis Wilfredo Título: Ingeniero Metalurgista Grado académico: Dr. Ciencias e Ingeniería 2.3. Co-asesor: Nombre y apellidos: Castillo Chung Aldo Roger Título: Ingeniero Metalurgista Grado académico: Maestro en Ciencias
8. Cronograma de ejecución: Etapas Inicio Término Dedicación semanal 1 (Horas). a. Recolección de datos 01-03-2023 01- 03-2024 40 b. Análisis de resultados 02-03-2024 30-06-2024 40 c. Redacción del informe 07-06-2024 31-07-2024 40 9. Recursos disponibles: 9.1. Recursos humanos: - Autores del proyecto de investigación. - Técnico en fundición y modelista, calificados. - Técnico en ensayos de metalurgia física y en ensayos no destructivos 9.2. Bienes: - Horno eléctrico, tipo mufla con control de temperatura mediante sensor térmico, con precisión de ± 1 °C - Desbastadora mecánica. - Microscopio óptico tipo estereógrafo - Microscopio Metalográfico - Cámara fotográfica de alta resolución - Computadora portátil con el software adecuado. - Vernier, marca Eliot de 6”, Precisión de 0,05 (centésimas de milímetro). - Esmeril. - Sensor para medición de temperatura, sin contacto, marca RAYTEK: Precisión de lectura: ± 1°C, para T° desde 600°C hasta 30 00°C, siendo la temperatura del ambiente hasta de 50°C; tiempo de respuesta = 700 ms, calibrado hasta 3000°C. - Caladora manual marca HITACHI CJ65. VA. (para confección de modelo) - Molino mezclador de arenas de 2HP; 5 kg/min. - Zaranda vibratoria y conjunto de tamices N° 6, 12, 20, 30, 40, 50, 70, 100, 140, 200 y 270, según norma AFS para cálculo del índice de finura de las arenas.
- Durómetro portátil en escala “B”, norma AFS para moldes de arena marca SIMPSON + GEROSA.
- Permeámetro absoluto digital, norma AFS marca SIMPSON + GEROSA.
- Balanza analítica digital con precisión de una centésima de gramo de gramo.
- Torno paralelo universal y fresadora vertical. 9.3. Instalaciones:
- Laboratorio de máquinas y herramientas de la escuela de Ingeniería Mecánica.
- Laboratorio de Procesamiento de metales de la escuela de Ingeniería Metalúrgica.
- Biblioteca de Ingeniería de la UNT.
- Biblioteca de post-grado de la UNT.
- Hemeroteca de la escuela de Ingeniería Metalúrgica 10. Recursos no disponibles y presupuesto: NATURALEZA DEL GASTO
CLASIFICADOR CANTIDA
D
(UM)
COSTO
(S/.)
MATERIALES DE CONSUMO
Crisol de grafito (capacidad: 6 kg en Cu) 01 u 250, Aluminio puro 3,50 Kg 100, Cobre electrolítico 40,00 Kg 1000, Aleación 50Pb-50Sn 5 kg 432, Zinc electrolítico 4,00 Kg 100, Reactivo escorificador: Grafito-Silice 2,00 Kg 30, Reactivo escorificador coveral 11 50,00 g 20, Reactivo escorificador cloruro de amonio 100,00g 50,
Impresiones en B/N y a color Encuadernaciones Escaneados de fotografías y gráficos Servicio de internet Servicio de modelería 5 juegos 5 juegos 50 u 80 h. 01 objeto
Sub total 900, Resumen del presupuesto para recursos no disponibles: NATURALEZA DEL CLASIFICADOR
COSTO
(S/.)
GASTO
2.3.18.2 MATERIALES DE CONSUMO 2722,
2.3.22.12 SERVICIOS BÁSICOS 230,
2.3.21.2 VIÁTICOS Y ASIGNACIONES 400,
2.3.27.2 TARIFA SERVICIOS DE TERCEROS 900,
TOTAL 4242,
11. Financiamiento del recurso no disponible: Será autofinanciado por el equipo investigador en su totalidad, por un monto S/. 4242, soles. 12. Resumen del proyecto de investigación. Se estudiará la Influencia de los aditivos de aluminio sobre la fluidez, dureza, resistencia a la tracción, zinc equivalente y microestructura del latón 85Cu5Zn5Sn5Pb fundido y colado en molde de arena en verde, utilizando diseño unifactorial con 5 niveles de la variable adiciones de aluminio (0%-1%-3%-5% -7%), tres réplicas del experimento y pruebas preexperimentales. Las probetas serán espirales de fluidez estandarizadas, además de probetas para ensayos de dureza, ensayos de tracción, ensayo metalográfico son también estandarizados, Se analizarán los cálculos pertinentes de Zinc equivalente y su correspondencia con la microestructura presente,
observable mediante el microscopio metalográfico y diagrama binario Cobre - Zinc. Los experimentos de ejecutarán según diseño aleatorizado de pruebas tanto para el moldeo, fabricación individual de las aleaciones y colada en la fabricación de las probetas del estudio. El objetivo es mejorar las propiedades mecánicas de dureza, resistencia a la tracción y resistencia a la abrasión de la aleación, así como mejorar la colabilidad del metal de base (latón 85Cu5Sn5pb5Zn) mediante aditivos de aluminio. Otro objetivo adicional es mejorar la técnica de fabricación de latones con aditivos de aluminio.
modificarse las estructuras de colada convenientemente (Herenguel,1976). De otro lado un incremento en los valores de las propiedades mecánicas de los latones, está relacionado con la microestructura lograda para el latón, al modificarse las la composición química debido a la inoculación de aleantes como el aluminio en cantidades tales que los latones podrían variar de latones ordinarios alfa y convertirse en latones ordinarios beta, condición que da lugar al concepto de Zinc equivalente (Gulaiaev, ….) Se logrado determinar que al fabricar latones el zinc aumenta poco la resistencia a la tracción del cobre y un poco más en el estado de recocido. Por ser el precio de zinc notablemente inferior al del cobre, se pueden obtener con la fase alfa una gama de aleaciones que se prestan a las deformaciones en frío tan bien como el cobre (hasta a veces un poco mejor) y proporciona económicamente objetos dotados de una resistencia mecánica y resistencia a la corrosión generalmente satisfactoria (Herenguel,1976). Al elaborar latones ordinarios, para darles propiedades determinadas se introducen distintos elementos en pequeñas cantidades como: Pb para mejorar la maquinabilidad; Sn para elevar la resistencia a la corrosión en agua de mar; Al y Ni para elevar las propiedades mecánicas. La dureza del latón 76Cu–22Zn–2Al resulta óptima para ser utilizada en agua de mar y aguas de circulación rápida (Guliaev, 1978, p.265) corroborado por Avner (1998, p.464) Según Herenguel (1976) y Callister (1995), resultados de investigaciones muestran la influencia de las adiciones de otros elementos sobre la resistencia mecánica del cobre, así como también de la influencia del tamaño de grano sobre la resistencia de latones. Esto indica que la microestructura está estrechamente relacionada con las propiedades de los materiales Backofen et. al (1964) al investigar el efecto del aluminio y del cobre en aleaciones de base zinc logró determinar que el eutectoide Zn-22Al + trazas de Cu poseía características similares a algunos bronces cuyas aplicaciones eran destinadas a servicios que requerían de alta resistencia al desgaste a baja carga a pesar que la aleación poseía una elevada plasticidad. Hirata; et al (2007) estudiaron varias aleaciones de Zn con alto contenido de aluminio y menores cantidades de cobre modificados y no modificados con la inclusión de otros elementos, logrando resultados de enorme interés en cuanto al mejoramiento de las propiedades mecánicas iniciales.
Entre otros problemas que se presentan para la fundición de piezas de latón plomado, en particular los latones 85Cu5Sn5Pb5Zn están los defectos por contracción y de fluidez de las aleaciones, manifestado por la presencia de rechupes como principal problema y la falta de detalles del producto fundido que puede ser manejado mediante el incremento de la fluidez, de ello se deduce que existan metales aptos para fundición y metales no aptos para fundición, situación que puede variar mediante la inoculación de aleantes. Así, por ejemplo una cantidad adecuada de aleantes a un metal de base puede aumentar su fluidez mas aún si con ellos se logran composiciones eutécticas que son las de mejor condición para ser utilizadas en fundición, debido a su alta fluidéz y corto rango de temperaturas de solidificación, siendo estas condiciones muy favorables para la alimentación y autoalimentación durante la fabricación de piezas fundidas (Sandoval, R. 1979; Beeley, P. 2001). El latón 85Cu5Sn5Pb5Zn posee un determinado rango de temperaturas de solidificación que puede variar con el contenido de aleantes como el aluminio, esto puede afectar la positivamente o negativamente la fluidez y es por ello que se desea evaluar y explicar dicho fenómeno que está vinculado también a la forma de estructura de solidificación y las conductividades térmicas de los elementos presentes en la aleación (Floreen, S. and Ragone, D. 1957). Es conocida la falta de fluidez de los bronces cuando se fabrican piezas de dichas aleaciones, originando muchas veces a la producción de artículos de baja calidad en cuanto a definición de los detalles del producto, piezas incompletas, etc. obligando al fundidor a recurrir a maneras curiosas de colada, como la inclinación en 15 grados los molde respecto de la superficie del taller o agregando pequeñas cantidades de fósforo para incrementar la fluidez del bronce. La fluidez es la cualidad del metal líquido para desplazarse a través de los pasajes del molde y llenarlos para reproducir las formas de la pieza fundida. Una baja fluidez se traduce en una pobre definición de los detalles físicos del artículo. La fluidez se relaciona con la densidad y la viscosidad de la aleación liquida, también se relaciona con las condiciones específicas del molde. La viscosidad puede ser predominante para el flujo del metal dentro de pasajes angostos del molde porque influirá en la resistencia que ejerce la
Troiani, (1998), citado por De Micco et al. (2007) en sus trabajos de caracterización de las aleaciones Cu-Zn-Al en cuanto a la estabilidad térmica de las fases y la decincación confirmaron que, a temperaturas altas, por encima de los 700°C aproximadamente y dependiendo de la velocidad de calentamiento, tiene lugar el proceso de decincación en esta aleación; dicho proceso habia sido observado previamente en aleaciones CuZn por Troiani a partir de temperaturas de 450°C. A temperaturas menores se encontraron cambios en la estructura de la aleación, para temperaturas inferiores a 525°C se observó la precipitación de las fases alfa y gama y la desaparición de la fase beta. Además, durante los distintos tratamientos térmicos se observan cambios en la textura del material, relacionados con sus propiedades mecánicas finales. Bayley, et al (1968) señala que si el enfriamiento del latón fundido, por colada continua, ocurre desde el líquido (L) pasando por la zona (L + α) hasta temperatura del ambiente dará lugar a una fase de matriz dendrítica α + una zona interdendrítica β, en tanto que si el enfriamiento parte del líquido pasando por la zona (L + β) ( contenidos mayores tales como el 44% de Zinc equivalente) dará lugar a una estructura β´ con precipitado de fase α en forma de ferrita widmanstätten iniciándose en los borde de grano de la fase β primaria, lo cual influye en sus propiedades mecánicas finales. Pedraza (2005), preparó aleaciones de CuZnAlB con contenidos de 20% Zn; 5,2% Al y 0,04% B y otra de aleación de 16,9%Zn; 7,71%Al y 0,04%B que se trataron térmicamente para α α
β β L Figura 1.1. Microestructura de la aleación con 37% Zn equiv. Dendritas de fase α con zona interdendrítica de fase β y diagrama de fase Cu-Zn.
obtener austenita sin lograrlo por completo, concluyendo que el procedimiento de fundición es delicado y expuesto a variables difíciles de controlar tales como la atmósfera y la temperatura de trabajo. Pero luego encontró efecto memoria para las probetas de la primera aleación fabricada, después de ser laminada en caliente, trefilada y tratada térmicamente a 850°C por 30 minutos y templada en agua a temperatura del ambiente. Gibson (2008) al fabricar aleaciones de memoria CuZnAl concluye que durante el proceso de calentamiento del latón el zinc sufre pérdidas a elevadas temperaturas ya que el zinc oxidado se evapora, por lo que fue necesario coberturas con gran cantidad de arena durante el calentamiento y fusión de la aleación, además de agregar un adicional de alrededor de 3,4% con respecto del peso de zinc ya presente en el metal, como material adicional para compensar las pérdidas, con resultados bastante consistentes. Aparte, las pérdidas de Cu, Al y Zinc en primera fusión es de alrededor del 10% para todos los componentes de la aleación. La temperatura máxima a la cual se calentó el latón fue de 1100°C en todos los casos. En el Perú no existen técnicas definidas para la obtención de latones adecuados para estas aplicaciones, utilizándose erróneamente aleaciones que originan los problemas antes (a) (b) Figura 1.2. (a) Microestrucura de latón fundido de coldada continua y laminado, con 37% de Zinc equivalente, presenta dendritas α y zona interdendrítica de fase β´ (b) Microestructura de latón con un máximo de 44% de zinc equivalente, muestra la estructura Widmanstätten, esto es ferrita widmastatten que se inicia en los bordes de granos β. Aquí no se notan los bordes de grano por ser una zona de granos equiaxiales. Los aumentos fueron de 100X.
4. Hipótesis “ A medida que se incrementan los aditivos de aluminio, en el rango de 0% a 7% en peso, disminuye la fluidez, se incrementa la dureza, aumenta la resistencia a la tracción e incrementa el zinc equivalente variando la microestructura del latón 85Cu5Zn5Sn5Pb, fundido y colado en moldes de arena en verde” 5. Objetivos Objetivo general Determinar la influencia de los aditivos de aluminio en el rango de 0% a 7% en peso sobre fluidez, dureza, resistencia a la tracción, zinc equivalente y microestructura del latón 85Cu5Zn5Sn5Pb fundido y colado en moldes de arena en verde, utilizando técnicas de medición de distancias, identación y metalográficos, con la finalidad de encontrar la fluidez máxima de la aleación inoculada y la variación de dureza respecto a la dureza inicial de la aleación. Objetivos específicos:
- Determinar el porcentaje de inoculación de aluminio óptima para el cual se logra la máxima fluidez de la aleación.
- Determinar la variación de la dureza superficial e interior con respecto a la dureza de la aleación de partida.
- Determinar el incremento de resistencia a la tracción como influencia de los aditivos de aluminio.
- Determinar la variación del zinc equivalente de la aleación como influencia de las adiciones de aluminio y su relación con la microestructura resultante.
Importancia del problema Mediante el desarrollo del presente proyecto de investigación se logrará obtener datos muy valiosos para el diseño de fundiciones, específicamente de aleaciones de cobre-zinc-aluminio.
6. Diseño de contrastación 6.1. Material de Estudio Aleación base Cu5Zn5Sn5Pb preparada con Zn, Cu, Sn y Pb electrolíticos para luego fundir y colar en molde de arena en verde, para diferentes cantidades de aluminio inoculado. Las especificaciones de composición química y propiedades según norma ASTM se muestran en la tabla 6.1. Tabla 6.1. Composición química y propiedades mecánicas según norma ASTM Nombre Comercial Especificación Símbol o Químic o Densidad g/cm^3 T°f (°C) Tipo de red Crista lina Resist. Tensil Lb/Plg^2 Resist Cedencia Lb/Plg^2 Dureza “HB” P=500Kg D=10mm CQ Base % Otros % Cu(99,99) Zn(99,99) Al(99,99) Sn (99,80) Pb (99,99) ASTM ASTM ASTM ASTM ASTM Cu Zn Al Sn Pb 8, 7, 2, 7, 11, 1083 420 660 232 327 FCC HCP FCC Tetra gonal 30000 19500 12000 3100 2385 17000
4000 3600 1180 40 < 19 max 5, …
99, 99, 99, 99, 99, <0, <0, <0, <0, <0, 6.2. Métodos y técnicas: Con respecto al uso de probetas en fundiciones de este tipo, se utilizará probetas para ensayos de dureza (norma ASTM E10-18; D = 15 mm; H= 20 mm), tracción, metalografía y de fluidéz estandarizadas (norma AFS) Fuente: AVNER, S. 1998. Introducción a la metalurgia física Edit. McGRaw Hill Interamericana. México. D.F, México.
Modelo experimental: Para la contrastación de la hipótesis se utilizará un diseño unifactorial con 5 niveles del factor y 3 réplicas del experimento (Montgómery, p.45 – 103): Un total de 15 corridas experimentales. Variable independiente y niveles: % Adición de aluminio (X) Niveles: xi = 0,0; 1,0; 3,0; 5,0 y 7,0 (5 niveles) Variables dependientes:
- Fluidez (distancia recorrida, mm)
- Dureza HB
- Resistencia a la tracción (Kgf/mm^2 )
- Zinc equivalente (Zn eq)
- Microestructura Variables parametrizadas durante el estudio son :
- Tipo del molde: De arena sílice natural preparada.
- Tipo de moldeo: manual
- Temperatura de inicio de colada (980° ºC)
- Temperatura del metal al extraer el crisol desde el interior del horno (1100ºC).
- Composición química de la aleación base
- Índice de finura AFS de la arena de contacto para el moldeo: AFS 140
- Tiempo de colada: Dependiente de la capacidad de flujo.
- Velocidad de flujo de colada: controlado por la balsa diseñada para esta investigación
- Dureza del molde
- Permeabilidad del molde
X
% Al Réplicas 1 2 3 X 1 X 2 X 3 X 4 X 5
X1 1
X2 1
X3 1
X4 1
X5 1
X1 2
X2 2
X3 2
X4 2
X5 2
X1 3
X2 3
X3 3
X4 3
X5 3
Se utilizará el método de análisis estadístico, de los datos obtenidos mediante análisis de varianza y clasificación en un sentido. Técnicas
- Técnicas de muestreo aleatorizado, recolección de datos y tabulación para tratamiento estadístico (Rodríguez, p.142).
- Técnicas para medir las distancias recorridas por metal liquido: medición simple con calibradores.
- Técnicas de instrumentación para el control adecuado de las variables que intervienen en el proceso: dureza del molde, índice de finura de la arena, permeabilidad del molde y dureza del molde, temperaturas de fusión, temperatura de colada, peso de aleantes y metal base.
- Técnicas de moldeo en arena (ITINTEC, 1980).
- Técnicas de fusión y colada de aleaciones no ferrosas.
- Técnicas para elaboración de aleaciones de cobre, específicamente de latones
- Técnicas de identación para ensayos de dureza
- Técnicas metalográficas. Procedimiento experimental: A. Diseño y confección de modelos y cajas de moldeo : Los modelos serán fabricados en madera según diseño y encerados con parafina. La caja de moldeo será diseñada para moldes de arena en verde y serán desmontables. B. Preparación de arenas de moldeo: Composición única: 21,58% Arcilla común; 4,65% bentonita; 9% humedad. Índice AFS: 140 Tabla 2. Modelo experimental unifactorial
