ESTUDIO COMPARATIVO DE LOS PARÁMETROS INFLUYENTES …

ESTUDIO COMPARATIVO DE LOS PARÁMETROS INFLUYENTES EN LA MAQUINANIBILIDAD DE LOS LATONES AL PLOMO

P.García1, S. Rivera1, M.Palacios1, J.Belzunce2

1 Fundación ITMA (Centro Tecnológico del Acero y Materiales Metálicos),

Parque Empresarial del Principado de Asturias (PEPA), Calafates, Nº11, parcela L-3.4, 33400 Avilés, Asturias.

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected],

2 Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Universidad de Oviedo. Campus universitario 33203 Gijón, Asturias

E-mail: [email protected]

RESUMEN

Los latones al plomo se emplean extensivamente cuando, además de las propiedades características del latón, se requiere una buena maquinabilidad. Una de las principales aplicaciones de estas aleaciones es la fabricación de elementos para conducciones de fluidos. Se ha realizado un estudio comparativo entre dos barras de latón al plomo con el fin de determinar las causas del distinto comportamiento observado en ambas ante procesos de corte. Tratándose de aleaciones idénticas del tipo CuZn39Pb3 y de igual geometría, se ha estudiado la composición química, las propiedades mecánicas y la microestructura en ambas muestras. Se han encontrado diferencias significativas en cuanto a la distribución y tamaño de los glóbulos de plomo y en cuanto a la proporción de fases (α+β’), lo que indicaría que las velocidades de solidificación han sido distintas en cada una de las barras examinadas; siendo la distribución de plomo la causa fundamental que afecta a la maquinabilidad de dichas aleaciones.

ABSTRACT

One of the main applications of brasses is the manufacturing of fluid carrying systems. The shape of the final product is usually made by means of machining from the rolled or extruded standard bar, so that effective and low cost machining operations are required. Leaded brasses are extensively used when good machinability is required. Two leaded brasses (alloy type CuZn39Pb3) with the same material geometry and different behaviour in saw cutting operations have been characterized in this work. Chemical composition, mechanical and microestructural properties have been studied in order to clarify the observed differences during machining (saw cutting). Significant differences have been found with respect to the size and distribution of lead globules and phase proportions (α+β’), that have been explained due to the existence of different solidification patterns in both products; being the lead distribution the most important characteristic relative to the leaded brass cutting behavior. PALABRAS CLAVE: Latón, Latón al plomo, Mecanizado.

1. INTRODUCCIÓN El latón es una aleación formada combinando dos metales, cobre y zinc, que se usa en la actualidad en la fabricación de multitud de componentes para diversas industrias. Se utiliza en el sector de la industria eléctrica, de la automoción y para la fabricación de válvulas y grifería entre otros. Entre otras propiedades importantes destaca su elevada conductividad eléctrica y térmica, su elevada resistencia a la corrosión y sus buenas propiedades frente al desgaste.

Entre sus aplicaciones más utilizadas figura la fabricación de piezas y utensilios de grifería y válvulas. Para la producción de estos componentes se parte de un tocho que sufre una etapa de laminación o extrusión hasta obtener un producto en forma de barra o redondo, en función de la aplicación posterior. Sobre esta barra o producto semiacabado se pueden realizar procesos de mecanizado por arranque de viruta, procesos de estampación en caliente o procesos por deformación en frío. Cualquiera de estos tres procesos pueden ser necesarios para obtener el producto final

Anales de Mecánica de la Fractura 26, Vol. 2 (2009)

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terminado y en función de la geometría final del componente que se quiera obtener, se puede aplicar un proceso u otro. En el caso de que se utilice un proceso de conformado por deformación en frío se necesita una aleación sea rica en cobre (por encima del 60% en peso) para que sea maleable y dúctil. En el caso de que se requiera una buena aptitud frente al mecanizado los latones se alean con plomo (hasta un 3% en peso), lo que facilita la rotura de la viruta y de este modo se puede aumentar la velocidad del mecanizado, aumenta la productividad, disminuye el desgaste de la herramienta y se mejoran los acabados superficiales de las piezas. En el presente estudio se ha estudiado la aleación CuZn39Pb3, según la norma UNE-EN 12164, utilizada para la fabricación de elementos utilizados en conducciones de fluidos. El producto final se obtiene a partir de una barra prismática extruida. Sobre esta barra prismática se deben realizar procedimientos de corte por sierra previos al proceso de estampación posterior. Se han estudiado dos barras prismáticas que presentaban una distinta aptitud al corte, con objeto de intentar correlacionar esta propiedad con la microestructura de las muestras y definir la distribución más adecuada de las distintas fases presentes. 2. LATONES AL PLOMO Los latones son aleaciones de base cobre y zinc que contienen típicamente entre un 5% y un 45% de Zn y otros elementos como Pb, Sn, Al, Fe, Si, que añadidos en pequeñas proporciones mejoran algunas propiedades específicas. Los latones con contenidos menores del 33% de Zn son latones monofásicos, ya que presentan únicamente la fase α, en cambio, por encima del 36% de zinc la estructura es bifásica con la presencia de dos fases (α y β´). Si se busca un buen comportamiento frente a la deformación en frío, la calidad más adecuada de latón es el 66Cu33Zn1Pb, que es un latón prácticamente monofásico (fase α), mientras que si se busca un buen comportamiento ante la deformación en caliente (forja, laminación, extrusión) serían preferibles los latones bifásicos (α y β´) -la fase β´ se convierte en β a una temperatura superior a los 450ºC-. Esta fase confiere una buena maleabilidad a la pieza por encima de los 450ºC. La calidad ideal en este caso es la 60Cu40Zn. En cambio si lo que se busca es una buena maquinabilidad se le añadirá un determinado porcentaje en peso de plomo (latones al plomo). Una de las calidades más utilizadas en estos supuestos es la 62Cu35Zn3Pb. Algunas de las piezas utilizadas para fabricar componentes para conducciones de fluidos parten de redondos o barras que necesitan ser cortadas, para lo que se exige una buena aptitud al corte y mecanizado.

Con posterioridad se les suele aplicar una elevada deformación en caliente (mediante un proceso de forja), con lo que es conveniente que, además, tengan buena aptitud al conformado a alta temperatura. En este tipo de situaciones se debe por lo tanto buscar un compromiso entre una buena aptitud al mecanizado y a la conformación en caliente. Para ello se debe seleccionar la relación más adecuada de elementos de aleación y escoger el proceso de fabricación apropiado necesario ajustando aquellos parámetros que pudieran modificar la microestructura final de la pieza y por lo tanto su aptitud al proceso de conformado elegido y sus propiedades mecánicas finales. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se caracterizaron dos barras de latón de la misma geometría, consistente en una sección cuadrada de 14 mm de lado y una longitud de 300 mm. La caracterización se realizó conforme a la norma de producto UNE-EN 12164-99 [1]. En la figura 1 se puede observar una fotografía del aspecto general de las barras.

Figura 1: Barra rectangular. Muestras 5157/1 (mala aptitud al corte). Muestras 5157/2 (buena aptitud al corte).

5157/1 Mala aptitud al corte 5157/2 Buena aptitud al corte

Tabla 1. Codificación de las barras. 3.1. Análisis químico Se realizaron análisis químicos sobre cada una de las barras en superficie y en el centro de la sección. Además se fundió en un crisol de alúmina un trozo de una de las barras (5157/1) y se coló en un molde de cobre refrigerado con agua y se realizó un nuevo análisis químico sobre esta muestra. Todos los análisis se realizaron mediante un espectrómetro de emisión atómica con fuente de chispa. Previo al análisis químico se pulió la superficie de cada muestra hasta dejarla limpia de escorias.


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3.2. Ensayos Mecánicos Se realizaron ensayos de tracción de acuerdo con la norma UNE-EN 10002-1 sobre probetas cilíndricas extraídas de las barras, con el eje de la probeta coaxial con el eje de la barra. Se utilizó una probeta proporcional para la medida del alargamiento. Para la ejecución del ensayo de tracción se utilizó una máquina universal de ensayos Instron de 100 kN de capacidad de carga. La velocidad de ensayo fue de 1 mm/min en la zona elástica y, una vez alcanzado el límite elástico, de 21 mm/min en la zona plástica, hasta la rotura. Asimismo se realizaron ensayos de dureza Vickers bajo carga de 10 kg sobre una sección transversal de la barra. Se realizaron 3 huellas equiespaciadas sobre la sección. 3.3. Estudio microrestructural Para el estudio microestructural se tomó una muestra a partir de un corte transversal en cada una de las barras. Las muestras se embutieron en resina protectora de bordes y se pulieron hasta pasta de diamante de 1 µm. Posteriormente se atacaron con una disolución consistente en 25 ml de HCl, 25 g de FeCl3 y 100 ml de agua. Se realizó un estudio de la distribución de plomo y de las distintas fases presentes en las muestras y para ello se utilizó un software de análisis de imagen. Se estudiaron dos zonas en cada sección transversal, una en el centro y otra cercana a la superficie. Para la determinación del tamaño de grano de la microestructura se siguió la norma UNE-EN ISO 2624 [2] y se utilizó el método comparativo con imágenes patrón una vez las muestras hubieron sido pulidas y atacadas para revelar perfectamente el contorno de sus granos. Para los análisis se utilizó un microscopio óptico y un microscopio electrónico de barrido, que incorpora una microsonda de análisis por energías dispersivas de rayos X, que permite realizar análisis químicos semicuantitativos. 4. RESULTADOS 4.1. Análisis químico La Tabla 2 muestra la composición química de las dos barras analizadas y de la muestra fundida y analizada con posterioridad. La composición química de la muestra 5751/2 cumple con las especificaciones de análisis químico requerida por la norma, mientras que la muestra 5751/1 muestra una composición ligeramente diferente entre su superficie y su región central y además su contenido en plomo y cobre están fuera del rango. Sin embargo, el análisis realizado con posterioridad sobre la muestra fundida presenta un valor del contenido en plomo dentro del rango establecido.

Elemento Cu Zn Pb Sn 5157/1 s 55.8 39.8 3.79 0.176 5157/1 c 57.1 38.0 4.42 0.181 5157/1 f 59.2 37.3 2.99 <0.170 5157/2 s 57.1 39.6 2.80 0.203 5157/2 c 57.8 39.3 2.39 0.170 UNE-EN

12164 57-59 Resto 2.5-3.5 <0.30

Elemento P Fe Ni Si 5157/1 s 0.012 0.221 0.056 0.0075 5157/1 c - 0.254 0.049 <0.004 5157/1 f 0.005 0.257 0.059 0.004 5157/2 s 0.0083 0.163 0.056 0.0051 5157/2 c <0.006 0.196 0.057 <0.009 UNE-EN

12164 - <0.30 <0.30 -

Elemento Al 5157/1 s 0.026 5157/1 c 0.025 5157/1 f 0.025 5157/2 s <0.010 5157/2 c <0.005 UNE-EN

12164 <0.050

Tabla 2. Composición química de las barras. Elementos en % en peso salvo cuando se indica otra cosa. S-superficie. C-centro. F-fundido 4.2. Ensayos Mecánicos Los resultados de los ensayos de tracción y dureza realizados sobre las probetas extraídas de las barras se muestran en la Tabla 3. Se observa que la barra 5157/2 posee un límite elástico y una resistencia mecánica superiores que los de la barra 5157/1, una dureza ligeramente inferior, mientras que los alargamientos medidos son muy similares en ambos latones.

PROBETA Límite elástico

Resistencia tracción Alarg.

[N/mm2] [N/mm2] [%]

5157/1 320 364 23.0

5157/2 346 394 22.5

PROBETA Estricción [%]

Dureza HV10

Dureza HV10

(media)

5157/1 37 126-132-135 131

5157/2 38 126-124-126 125

Tabla 3. Propiedades mecánicas de los dos latones.


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4.3. Estudio microestructural En las figuras 2 y 3 se aprecia la estructura bifásica alfa+beta (α+β´) típica de los latones con estos contenidos de zinc. La microestructura es ligeramente diferente en ambas muestras, ya que la muestra 5157/1 tiene un tamaño de grano menor en su centro (ver tabla 4), un mayor porcentaje de fase alfa (ver tabla 5) y una geometría de grano más regular y equiáxica. También se aprecian notables diferencias en el tamaño de los glóbulos de plomo, que serán analizadas sobre las micrografías en estado de pulido, ya que en ellas se contrastan mejor esta fase dispersa. De todos modos en la figura 4 se muestran glóbulos de plomo de gran tamaño (20 µm aprox.) sobre una micrografía atacada de la muestra 5157-1. En las micrografías en estado de pulido (figuras 5 y 6) se observa con más claridad las diferencias en cuanto a la distribución de plomo, fase ésta que se presenta en el latón en forma de puntos oscuros dispersos, ya que el plomo apenas es soluble a temperatura ambiente por lo que segrega en los bordes de grano o regiones interdentríticas. Los glóbulos de plomo de la muestra 5157/1 tienen un tamaño considerablemente mayor que los de la muestra 5157/2. El porcentaje en plomo de la muestra 5157/1 era superior, como se había comprobado en el análisis químico de la Tabla 2

Figura 2. Microestructura muestra centro 5157/1. Fase alfa (α), fase beta (β), partículas de plomo (Pb).

Figura 3. Microestructura muestra centro 5157/2. Fase alfa (α), fase beta (β), partículas de plomo (Pb).

Figura 4. Detalle de los glóbulos de plomo de gran tamaño. 5157/1.

Figura 5. Detalle de los glóbulos de plomo. 5157/1.

Figura 6. Detalle de los glóbulos de plomo. 5157/2.

Muestra Zona Tamaño medio de grano (µm)

5157/1 Centro 12

Superficie 10

5157/2 Centro 25

Superficie 12 Tabla 4. Determinación del tamaño de grano medio. Las figuras 7 y 8 muestran respectivamente el alto contraste entre las fases logrado al utilizar iluminación con luz polarizada y el tipo de imagen digital sobre el

α

β

Pb


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que se llevó a cabo el recuento de la fracción volumétrica de la fase α.

Figura 7. Muestra 5157/1, imagen mediante luz polarizada.

Figura 8. Muestra 5157/1, imagen digital sobre la que se realiza la medida de fases.

Muestra Zona

Porcentaje de área ocupada por la fase alfa

(α)

Nominal Desv.

estándar

5157/1 Centro 69.2% 1.29

Superficie 64.5% 2.23

5157/2 Centro 56.6% 0.64

Superficie 60.9% 1.94

Tabla 5. Fracción volumétrica de fase alfa en ambas muestras. Tras el estudio comparativo efectuado entre las dos barras de latón tipo CuZn39Pb3 con el fin de explicar el diferente comportamiento de ambas en procesos de corte se destacan los puntos siguientes: • En cuanto a la composición química, la muestra 5157-2 cumple con los requisitos para una aleación CuZn39Pb3, según norma UNE-EN 12164, mientras que la muestra 5157-1 presenta un exceso de plomo. Tras fundir la muestra 5157-1 y realizar el análisis químico tras su solidificación el contenido de plomo medido se encontró ya dentro del rango establecido. En

cuanto al resto de elementos no hay diferencias apreciables entre ambas muestras salvo un mayor porcentaje de hierro en la 5157-1.

• En los ensayos de tracción realizados se obtuvo un mayor límite elástico y resistencia a la tracción en la probeta 5157-2, mientras que los parámetros de ductilidad son similares en ambas probetas. Estas diferencias pueden achacarse al mayor contenido de Zn (mayor proporción de fase β´) de la barra 5157/2. En el ensayo de dureza se obtuvieron resultados bastante similares en ambas muestras. • Ambas muestras presentan una microestructura bifásica alfa+beta (α+β’), notándose que en la muestra 5157/1 el tamaño de grano es menor y la morfología granular es más regular y equiáxica. El tamaño medio de los glóbulos de plomo es superior en la muestra 5157-1, observándose en ésta numerosos glóbulos de gran tamaño que concentran un gran volumen de plomo con una relación superficie/volumen desfavorable e inferior a la que presentan los glóbulos de pequeño tamaño de la muestra 5157-2. En cuanto a la fracción volumétrica de las otras dos fases, el porcentaje de fase alfa es mayor en la muestra 5157-1, dato apreciable tanto a simple vista como mediante el análisis de imagen realizado.

5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS El mal comportamiento detectado en la muestra de latón 5157-1 ante procesos de corte puede explicarse por el exceso de plomo y la desfavorable geometría de los glóbulos de plomo, de tamaño excesivo y de menor relación superficie/volumen en comparación a los glóbulos de la muestra 5157-2. En la figura 9 se puede apreciar cómo, para aleaciones de este tipo, contenidos en plomo superiores al 3.25% rara vez son ventajosos [3]. Así mismo, la figura 10 muestra que la maquinabilidad de las aleaciones Cu-Zn mejora al aumentar el contenido de cobre (disminución de la proporción de fase β´, ligeramente más dura que la fase α). Se han encontrado diferencias significativas entre ambas muestras en cuanto a la proporción de fases que no se pueden explicar al comparar su composición química, lo que hace pensar que la velocidad de solidificación de la muestra 5157/2 haya sido mayor. Una mayor velocidad de solidificación (enfriamiento de no equilibrio) desplazaría la curva de separación entre los campos (α+β’) y (β’) hacia menores contenidos de Zn (véase figura 11), lo que se traduciría en el aumento de la proporción de fase beta. Esta supuesta mayor velocidad de enfriamiento de la muestra 5157/2 es coherente con la mayor dispersión y finura de los glóbulos de plomo que se había observado en esta muestra.


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En ninguna de las dos muestras se han encontrado agregados o inclusiones que pudieran incrementar la dureza de la aleación, únicamente se ha detectado un mayor contenido de Fe en la muestra 5157-1, que aunque poco significativo, quizás empeore la maquinabilidad de la aleación.

Figura 9. Efecto del contenido de plomo sobre la maquinabilidad de latones de 62 a 65% Cu [3].

Figura 10. Efecto del contenido de cobre sobre la maquinabilidad de los latones α+β de fácil mecanizado (free-cutting).

Figura 11. Diagrama de fases cobre-zinc

6. CONCLUSIONES En definitiva, a la vista del estudio realizado y de las diferencias puestas en evidencia entre las dos barras de latón, el quemado y mayor desgaste de la herramienta de corte que ocasiona la muestra 5157/1 debe achacarse a la peor distribución del plomo en su microestructura, ya que este metal aparece distribuido de manera mucho más heterogénea y en forma de glóbulos apreciablemente mayores, lo que dificulta el logro de una lubricación eficiente de la herramienta. Dado que el plomo se forma durante la solidificación de la barra y,

siendo un elemento totalmente insoluble en estado sólido, su distribución no resulta afectada por el proceso de extrusión posterior, parecería aconsejable aumentar la velocidad de enfriamiento de la colada de la barra con el propósito de obtener una precipitación de plomo más fina y dispersa.

REFERENCIAS [1] UNE-EN 12164-99: Cobre y aleaciones de cobre.

Barras para mecanizado. [2] UNE-EN ISO 2624: “Cobre y aleaciones de cobre.

Estimación del tamaño de grano medio”. [3] ASM Handbook Volume 16: Machining (1995). ASM International, Metals Park, Ohio, U.S.A. [4] Cristián Vial, Apuntes de Metalurgia Física (2002). Pontificia Universidad Católica de Chile.


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