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CHARLA
“ANALISIS DE DEFECTOS EN
BARRAS DE LATON EN
PROCESO Y EN SERVICIO”.
Dr. Rodolfo Mannheim
RESUMEN DE DEFECTOS Y FALLAS EN
BARRAS DE LATON Y COMPONENTES
Las barras de aleación de Cu-Zn-Pb sirven comomateria prima para la producción de varios productos,ordenándolos desde materiales decorativos acomponentes mecánicos/ eléctricos. Partes domesticas,tiradores de puerta ,manillas de puerta, utensilios dechimenea, tuercas y tornillos ,fittings para instalacionesde plomería, partes de precisión para equipamientoeléctrico/mecánico, y muchos micro-componentes sonsolo unos pocos ejemplos de partes que son producidasde aleaciones de latón. Hay dos tipos de componentesprincipales producidos de barras de latón: componentesmecanizados y componentes forjados.
Las aleaciones C36000 y C38500 son usadas
principalmente para la producción componentes
mecanizados. La composición química de estas
aleaciones son dadas en la norma ASTM B16 y
ASTM B 124 respectivamente. Estas dos
aleaciones contienen plomo a una composición
nominal de 3%. La composición química de la
aleación C37700 usada para forja es dada por
la norma ASTM B 124; el Pb nominal contenido
es de 2%. En la practica, la composición
química nominal de Cu en estas aleaciones
varia aproximadamente entre 58% (C38500 y
C37700) y 61 % (C36000).
Las aleaciones equivalentes con lascomposiciones químicas similares que cumplencon los estándares europeos EN 12164 y12165/1998 son CW 603N, CW 614 N, y CW617 N respectivamente. El Pb en estasaleaciones existe como partículas finamentedispersas, primariamente ubicadas en losbordes de grano. Estas partículas actúanfacilitando la fractura de las virutas demecanizado, disminuyendo el desgaste deherramienta, y mejorando la maquinabilidad dela aleación.
El presente estudio hace una revisión de fallasen barras de latón durante el proceso deconformado y durante la producción y uso delos componentes.
Fallas en proceso.
• La producción de barras de latón generalmente
envuelve los siguientes procesos de
manufactura:
• Fundición: continua, semicontinua y batch
• Extrusión en caliente
• Limpieza de la superficie: p.ej. limpiar con acido
• Trefilado
• Recocido : recocido de alivio de tensiones o
recocido de ablandamiento
• La microestructura de las barras (principalmente
C38500 y C36000) usadas como componentes
de manufactura por operaciones de mecanizado
son típicamente una mezcla de las fases α +
β, como muestra la fig 1. Las fallas primarias
en-proceso son resumidas en el organigrama
que muestra la fig 2. De acuerdo con este
diagrama , hay tres clases de fallas básicas:
• Fallas de colada
• Fallas de Extrusión
• Fallas de trefilado
Figura 1. Microestructura de una barra.
Fallas en Proceso
Fallas de ExtrusiónFallas de Colada Fallas en Trefilado
Contenido de
Impurezas
Grietas de
Arista
Fallas de fisuras
en caliente (grietas,
superficiales,exfoliación)
Defecto de cola
(tubo interno)
Calidades por
Contracción
Grieta
interna
Acciones Correctivas
Mejoramiento del
control de
Impurezas
(p.ej.en materias
Primas)
Mejoramiento de
la velocidad de
colada y velocidad
de enfriamiento
Mejoramiento de
temperatura de
extrusion y
velocidad de
extrusion
Mejoramiento
del descarte(culote) y
Cascara dimensiones y
Limpieza del liner.
Mejoramiento del
Control del
desenrrollamiento,
grado de reducción y
fricción matriz/metal
Mejoramiento
Reducción,
velocidad de
trefilado
o geometría de
la matriz
Determinación de la causa de raíz de cada falla
y revelar las acciones correctivas apropiadas
para prevenir fallas similares en el futuro.
Existen dos causas principales de fallas de
colada:
• Elevado nivel de impurezas, el nivel de
impurezas localizado puede conducir a grietas
de discontinuidades después de la extrusión y
trefilado. Bismuto (Bi) en la aleación puede
conducir a la formación de finas grietas
intergranulares, favorece el fisuramiento en
caliente (hot shortness) , y un efecto adverso en
el trabajo en caliente de la aleación.
Por otra parte, un exceso de antimonio perjudica
el trefilado. Inclusiones en base a sodio (Na)
puede producir discontinuidades en la superficie
y en el interior de barras y tubos de latón. Las
acciones correctivas necesarias para evitar este
conjunto de defectos es establecer el menor
limite posible de impurezas y determinar la
composición química de la materia prima
(chatarra) y/o lingotes del proceso de colada.
Cavidades producto de contracción o rechupe y
porosidades pueden causar grietas superficiales
e internas y/o fallas que finalmente se producen
en las operaciones de conformado. Una
cuidadosa selección de la velocidad de colada
y razón de enfriamiento son las técnicas viables
para el control y minimización de la contracción
de solidificación y porosidad asociada.
Existen dos principales defectos asociados confallas de extrusión:
• Defecto de cola (back defect), el cual aparecegeneralmente como cavidad al final de la barraextrudida, resulta de la combinación del modelodel flujo de metal y la introducción de óxidos dela superficie en el interior de la barra. Alaumentar la fricción contenedor-billet, un efectoque frecuentemente ocurre en procesos deextrusión directa, el cual aumenta el flujo demetal no uniforme, la cual es la principal causade la formación de cavidades internas tipocañerías (back defect). La fricción retarda elflujo de la superficie de metal, causando unadiferencia entre la velocidad de flujo de metal enel centro del billet comparado con la velocidadde flujo en la superficie.
El modelo de flujo establecido por la diferencia
de velocidades de flujo atrae los óxidos de la
superficie al centro de la barra, y las capas
sucesivas de metal no pueden soldarse. La
ausencia de soldadura causa discontinuidades
y defectos en el centro de la barra
(fig.3).Eliminando un cierto largo del final de la
barra extruída puede eliminarse este tipo de
defectos. Para disminuir lo desperdiciado por la
falla de cola, el largo de la parte removida debe
ser cuidadosamente determinada, el vástago del
contenedor debe mantenerse limpio y/o
frecuentemente lubricado.
Figura 3. Falla de extrusion directa, defecto tipo
cañería.
La remoción de la cáscara del billet (scalping)
durante la extrusión también minimiza el
defecto de cola; un apropiado block “seguidor” ,
con un diámetro ligeramente menor que el
diámetro del contenedor , es usado como
“scalping”. El defecto de cola no es común en
procesos de extrusión indirecta.
• Falla de fisuramiento en caliente (Hot
shortness), se presenta como grieta superficial o
de laminación a lo largo de la extrusión. El
fisuramiento en caliente resulta de un
sobrecalentamiento porque la temperatura del
billet-contenedor se incrementa por roce .
Este aumento en la temperatura incrementa la
temperatura del metal en un punto de una
región localizada de segregación donde puede
fundirse o agrietarse en caliente. El calor
friccional disipado durante la excusión puede
causar fisuramiento en caliente en regiones
parcialmente fundidas cerca de la superficie de
metal. (Fig. 4). La superficie desgarradas y
oxidadas no se sueldan durante las operaciones
de conformado. Las regiones no soldadas nos
conduce a fomentar la delaminación (Fig. 5).
Una disminución de la temperatura y velocidad
de extrusión elimina el fisuramiento en caliente.
Figura 4. Micrografías mostrando grietas de
fisuramiento en caliente de barras.
A) Barra
hexagonal
C38500
B) Barra
cuadrada
C38500.
C) Barra
redonda
C35330.
Figura 5. Micrografías Fisuramiento en caliente que
induce exfoliación, C36000.
A) Micrografía
superficial
B) Detalle de
a).
C) Micrografía
sección
transversal
de b).
Los tipos de defectos asociados a fallas en eltrefilado incluyen las siguientes:
• Agrietamiento de las aristas en barraspoligonales (hexagonales y cuadradas) sonfrecuentemente observadas cuando la barrafinal es estirada del rollo extruído. Lasoperaciones de enrollado y desenrolladoconduce frecuentemente a la formación degrietas en las aristas de barras cuadradas yhexagonales (Fig. 6).
Estas grietas pueden servir de sitios deiniciación de fractura, a la largo, en la barratanto en el dado de trefilado como en laenderezadora de rollos. Una secciónlongitudinal del material, muestra la profundidadde las grietas en la arista, como se muestra enla Fig. 7.
a) Orilla agrietada.
Figura 6. a) Representación esquemática de orilla
agrietada, barra hexagonal C38500. b)
Estereomicrografia de orilla agrietada. c) Detalle de
b).
Figura 7. Micrografía sección longitudinal
de aleación C38500 en barra
hexagonal, mostrando
propagación de grietas.
Superficie de la barra hexagonal
Dirección de trefilación
Concentración de esfuerzos en las aristas de las
barras es la primera causa de grietas. Al
aumentar el diámetro del rollo se reducen
ambas, los esfuerzos de enrollado y
desenrollado. Adicionalmente, disminuyendo el
trabajo en frío de preenrollado o reduciendo el
área de las barras abastecidas, decrece el
trabajo en frío en las aristas de la barras desde
el principio hasta el final de las aleaciones en -
rolladas.
• Chevron o grietas internas es el resultado deroce excesivo entre dado-.material y/o una granreducción de área durante el trefilado. Unaapropiada lubricación del dado y control dereducción de la barra entre 10 a 15% puedeeliminar este defecto.
Defectos de producción tales como los descritospreviamente, pueden, si no se detectan,conducir a fallas en servicio. Control de talesdefectos son importantes en la calidad de lasbarras, y, como es el caso de la mayoría de lossistemas, la calidad del producto de partidapuede trasladarse directamente en la calidad dela estructura final o componente.
Fallas en Servicio
Por fallas en servicio puede entenderse los
defectos formados durante la producción de
stock de barras y los defectos que se forman
durante la producción y uso de los componentes
de latón. (Para el proveedor de barras de latón,
las fallas en servicio involucra fallas que ocurren
cuando las barras son usadas para
manufacturar componentes, y fallas de los
componentes manufacturados desde las
barras.) .Las principales categorías de fallas en
servicio son delineadas en la Fig. 8 e incluyen:
Fallas en Servicio
Fallas medioambientales
(grietas de corrosión bajo tensión,
corrosión de descincificación)
Fallas de deformación en frío
(ej.grietas de doblado o flexión)
Fallas de conformado en caliente
(p.ej.reventado de forja, pliegue de
Forja)
Acciones Correctivas
Para SCC: mejorar la eliminación
de tensiones residuales, emplear
los procesos de alivio de tensiones
antes de usar. y/o mejorar aspectos
medioambientales de aplicación
después de la manufactura
Para descincificacion: evitar
humedad y agua salina y cualquier
otro ambiente corrosivo o elegir
aleaciones resistentes a la
Descincificacion (ej. latones al
arsénico)
Mejorar las aleaciones para conformado
en frío (elegir una aleación con
elevado contenido de Cu o emplear
recocidos de ablandamiento para
llegar a aleaciones con menos durezas
o mejorar la calidad de la superficie
del material o adaptar su proceso
a las características mecánicas de la
aleación (ej. Mejorar la velocidad de
deformación, emplear procedimiento de
Pasadas-múltiples)
I) Mejorar control de temperatura
de precalentamiento
II) Mejorar composición química de
la aleación (reducción de impurezas)
III) Mejorar flujo de metal (reducir
fricción matriz/trabajo, aumento de
la lubricación y mejora de la rugosidad
de la superficie de la matriz)
IV) Mejorar la geometría de la matriz
V) Mejorar dimensiones de la pieza
VI) Mejorar la velocidad de deformación
• Las fallas inducidas medioambientalmente, talescomo fatiga, corrosión bajo tensión (SCC), ydescincificación.
• Fallas de trefilado o defectos causados pordeformación plástica severa a temperaturaambiente que pueden acompañar acomponentes de producción.
• Fallas de deformación en caliente o defectosque resultan durante la manufactura decomponentes, p.ej., forjado.
Existen dos principales causas de fallasmedioambientales en barras de latón: SCC ydescincficación.
La corrosión bajo tensión es generalmente elresultado de la combinación de medioambientey uso y/o tensiones residuales. Estausualmente aparece en la forma de grietasintergranulares (irregular/zigzag) que sepropagan en direcciones transversales olongitudinales. El nombre más común de estetipo de fallas es “season cracking “(grietasintergranulares, grietas que aparecenespontáneamente al cabo de cierto tiempo portensiones interiores) porque fueronprimeramente observadas en cartuchos de latónalmacenados cerca de los establos de loscaballos en India durante la estación de losmonsones.
Esta observación fue la primera evidencia que el
amoniaco causa SCC en latones. Aleaciones de
cobre para fittings expuestas a pequeñas
cantidades de amoniaco ( el sudor de las
manos puede causar grietas en los fittings de
unión de las manillas) puede experimentar
agrietamiento intergranular a lo largo del eje
longitudinal de los componentes (Fig. 9). La
corrosión bajo tensión en latón es debido a tres
razones fundamentales:
Figura 9. Falla SCC. a) Grieta propagada perpendicular al perno de un
componente de latón (Fittings). b) Propagación de la grieta a través del
espesor de la tuerca de latón.
• Tensiones residuales retenidas en el
componente (p.ej. Fittings). Tensiones aplicadas
pueden contribuir a la falla, pero, en muchos
casos la tensión residual es suficiente para
causar la grieta.
• La presencia de un medio especifico SCC, tales
como amoniaco húmedo o urea. (Exposición
del latón a mercurio y/o compuestos
conteniendo mercurio puede causar
agrietamiento, un fenómeno similar a SCC).
• Alcalinidad.
La evaluación de barras de latón susceptibles aSCC o fragilidad por metales líquidos sepueden usando técnicas estándares, tales comoASTM B 154 en solución de nitrato mercurioso yASTM B 858 en vapores de amoniaco.
Para minimizar la ocurrencia de SCC, unrecocido de alivio de tensiones puede serutilizado después de la etapa de manufacturado.Los recocidos de alivio de tensiones son usadosentre 250 y 400 ˚C. Si el recocido es hecho enuna atmósfera reductora, la superficie delcomponente recocido será brillante ydescolorado por una película de oxido de cobre.
También, durante el ensamblaje decomponentes de latón, debe evitarse elsobretensionado de los componentes. Eladecuado uso de materiales aislantes (resinasconteniendo fluor o un equivalente) entreconexiones minimizara el esfuerzo aplicado yreduce la tendencia a SCC en fittings. El uso decintas aislantes y películas protectoras (talescomo Cr o Ni, etc.) pueden efectivamentereducir el riesgo de SCC durante su exposicióna un medioambiente que le cause este efecto.Evidentemente, compuestos de limpieza enbase a amoniaco deben ser evitados encualquier componente de latón.
La corrosión por descincficación nos conduce a
una lixiviación selectiva de Zn
(disolución de Zn en ambiente salino y agua)
debido a lo local, casi atomístico, desarrollo
electroquímico (galvanico) entre átomos de Cu y
Zn. El progreso de la reacción da como
resultado la formación de una capa porosa,
rojiza y sin Zn, la cual posee una pobre
adhesión, baja resistencia y ductilidad. El uso de
Sn y As (0.25% máx.) en la aleación inhibe la
corrosión por descinificación, permitiendo un
aumento en la vida del componente.
Las características de la corrosión pordescincficación en latón para fittings (aleaciónC 38500) se muestran en la Fig. 10a. Conpropósitos comparativos la profundidad dedescincficación es evaluada también en dosaleaciones diferentes: un latón simple paramaquinado, C38500, y un latón resistente a ladescincificación, C3530, conteniendoaproximadamente 0.12 % As. La evaluación sellevo a cabo por el test estándar ISO 6509:1995. El resultado del estudio se muestra en lasmicrografías ópticas de la Fig. 10b y 10c. Lacapa descincficada para fittings de latón simplefue de 8 a 10 veces más gruesa que la capa deuna aleación resistente a la descincificación.
Figura 10. a) Falla por descincificación. La grieta es favorecida por la
presencia de tensiones residuales.
Las acciones correctivas sugeridas para evitarla descincficación incluye una mejor selecciónde materiales y/o protección del material poraplicación de películas resistente a la corrosión(Ni o Cr). Evidentemente, las condicionesambientales a que estará expuesto deben serconsideradas durante el proceso de selecciónde materiales.
La principal causa de formación de defectos(usualmente, fractura de un componente)durante la deformación en frío es la tensiónexcesiva con respecto a la conformabilidad delmaterial en frío . Un elevado de barras de latónvan a la producción de manufacturados talescomo tiradores y manillas.
Procesos de doblado o curvado en frío están
siempre incluido en los procesos de fabricación
de perillas /manillas. En muchos casos, el
diseño de curvatura excede la capacidad de
deformación del material. Una deformación
excesiva causa fallas similares a las que se
muestran en la Fig11a..Para el mismo ángulo de
doblado y diámetro de barra, el principal criterio
limite de conformado (para el proceso de
doblado., es la razón mínima R/D (donde R es el
radio de doblado, y D el diámetro de la barra).
Figura 11. a) Falla en deformación en frío ( agrietamiento por
doblado) barra redonda C 38500. b) Falla por deformación en
caliente (Explosión de forja) en barra redonda C37700.
.
Esta razón indica la capacidad de doblado del
material y esta directamente relacionada con la
reducción de tensión de área, Z; cuando el
material se hace más dúctil(o blando) ,se
incrementa Z, y disminuye la razón mínima R/D,
donde aumentara la capacidad de doblado.
La razón mínima R/D puede calcularse usando
la siguiente relación (para Z>0.20); una relación
similar es reportada en el Mechanical Metallurgy
G.E. Dieter:
Rmin/ D = (1- Z2)/ (2Z- Z2)
Las siguientes acciones correctivas pueden
hacerse para evitar fallas de conformado Fig 8:
• Primero, si la conformabilidad del material no es
adecuada, debe ser seleccionado un material,
más blando, o más dúctil. Esto generalmente
implica un aumento del contenido de Cu o
modificar el estado del material usando un
recocido de ablandamiento (sobre 430˚C).
Segundo, si el material tiene una
conformabilidad adecuada pero desarrolla
problemas de conformabilidad cuando esta
inmóvil, en este caso debe examinarse la
calidad superficial de la barra. En tales casos,
evidencias de fallas no sistemáticas sugiere la
presencia de defectos aleatorios en la superficie
de la barra. Estos defectos son típicamente
microgrietas y/o inclusiones que se originan
durante los primeros procesos de manufactura
(principalmente, extrusión y colada) y actúan
como sitios de iniciación de grietas durante el
proceso de conformado.
Las fallas de deformación en caliente aparecen
durante las operaciones de estampado y forjado
en caliente. Muchos fittings de latón son
fabricados por estampado en caliente. Un
ejemplo de reventado en caliente puede ocurrir
en conectores de latón (aleación 37700) como
se muestra en la Fig 11b. Los principales
defectos en estampados/forjados en caliente
son:
• Reventado en caliente (Fig. 12)
• Plegado o discontinuidad en forja en caliente
(Fig. 13)
Figura 12 a) Macrografía de
Billet de latón sección
transversal después de
precalentamiento para
forja. b) Micrografía de de
capa exterior del billet
donde se observa el
crecimiento de grano. c)
Micrografía del centro del
billet, mostrando un
afinamiento del grano. d) y
e) Detalle de los
alrededores de la grieta.
Figura 13 a) Macrografía
de sección
longitudinal de un
componente forjado.
Mostrando las líneas
de flujo y la posición
de generación del
defecto. b)
Micrografía de a)
mostrando una
discontinuidad
completa.
Raíz de la
discontinuidad.
Las principales acciones para minimizar laapariencia de tales defectos, incluye:
• Primeramente, y la más importante, examinarlas etapas del proceso y parámetrosconsiderados para la deformación plásticadeseada. Estos parámetros incluyen la aleaciónseleccionada, las dimensiones y geometría de laparte producida, tamaño del billet, temperaturadel proceso, razón de esfuerzo, lubricaciónparámetros de la matriz, y otras variables defabricación.
• Aumento de la pureza de la aleación, yminimizar elementos de adición que puedanproducir fisuramiento en caliente (hotshortness). Elementos de aleación quefavorecen el fisuramiento en caliente incluyen Biy Pb.
Hay que ajustar cuidadosamente la temperatura deprecalentamiento. Un calentamiento excesivo favoreceel fisuramiento en caliente (hot tearing) y uncalentamiento inadecuado puede producir grietas debidoa una insuficiente ductilidad .Un calentamientoheterogéneo puede producir tensiones térmicas que setraducen en formación de grietas. La temperatura deprecalentamiento típica esta en el rango entre 650 y780˚C para la aleación C37700, pero la temperatura ytiempo de recocido óptima depende del material y de lacantidad de deformación plástica en caliente requeridapara la fabricación. El control de temperatura yequipamiento de medida deben ser calibradosrutinariamente. La fig. 12 muestra una falla de fisura encaliente inducida por un calentamiento excesivo; por locual se observa un crecimiento de grano excesivo en lasuperficie del billet. (compare Fig. 12a y b).
Reducir la fricción a través del control de la
lubricación. El flujo de metal debe ser suave , y
una lubricación inadecuada o un material rugoso
puede causar turbulencia durante el proceso de
conformado en caliente. La turbulencia puede
causar discontinuidades y pliegues en la parte
conformada. Las impurezas (intrínsicas o
extrínsicas) obstruye la soldadura entre capas y
conduce a la formación de discontinuidades.
(Fig. 13). Análisis químico del material en la
punta de discontinuidades, las impurezas
frecuentemente detectadas, tales como sílice y
carbón, pueden ser la causa de los defectos.
• Mejorar el diseño de la matriz para reducirángulos agudos y detalles de formas intrincadascon el fin de facilitar el flujo de material.Adicionalmente, los dados o matrices deben serpropiamente pulidas después de cada ciclo deproducción.
• Asegurar una apropiada velocidad de carga, yevitar impactos de carga del material durante elproceso. Golpes en la carga sonfrecuentemente responsable por la formación defracturas de corte.
Conclusiones
Dos diferentes categorías de fallas pueden
ocurrir en barras de latón y componentes
relacionados, estas son fallas en proceso,
causadas por defectos formados durante la
producción de barras, y fallas en servicio, las
cuales ocurren durante la fabricación de los
componentes y uso.
Control de calidad y las prácticas de
aseguramiento de calidad están dedicados a
prevenir fallas más que inspeccionar y clasificar
los productos defectuosos. Por eso, la
experiencia consolidada y el background en el
campo de procesamiento de materiales son
necesarios de manera de investigar las causas
de raíz de las principales fallas y para explorar
las soluciones óptimas. El uso de ciertas
herramientas, tales como la construcción de
diagramas esquemáticos, ayuda en la
organización del procedimiento de investigación.
Fallas en proceso son originadas en lasprincipales etapas de producción: colada,extrusión, y trefilado. Las fallas de colada soncausadas por un contenido elevado deimpurezas y cavidades por contracción/porosidades formadas durante la solidificación.Las fallas de extrusión incluyen las fallas decola, la cual puede ser prevenida por el ajustede las dimensiones de cáscara/descarte yfrecuencia de limpieza del vástago delcontenedor, y grietas de fisuramiento encaliente, las cuales pueden ser prevenidas porun control de la temperatura de extrusión yvelocidad de prensado.
Fallas en trefilado, obviamente en frío,
frecuentemente pueden atribuirse a grietas de
arista sen barras poligonales, las cuales se
pueden prevenir por mejoramiento del proceso
de desenrollado y/o disminuir el grado de
reducción, y grietas de chevron (internas), las
cuales pueden ser eliminadas por disminución
de la fricción dado/metal y/o disminuir el grado
de reducción.
Las fallas en servicio incluyen fallas en de
deformación en frío y caliente y fallas inducidas
medioambientalmente.
Las fallas medioambientales incluyen SCC y
corrosión por descincficación. Minimizar las
tensiones residuales por recocido y optimización
de la selección de materiales es la principal
acción correctiva para evitar fallas
medioambientales. Fallas de deformación en
frío son esperadas en los casos donde la
capacidad de conformado de la aleación es
excedida durante el trabajo en frío.
Mejores selecciones de materiales (composición
químico, nivel de recocido) y diseño de proceso
son las principales acciones correctivas para
evitar tales fallas. Fallas de deformación en
caliente incluye reventado en caliente y
pliegues, lo cual puede ser prevenido al limitar
impurezas intrínsecas y extrínsecas y por un
cuidadoso control de los parámetros de proceso
(temperatura, duración de calentamiento,
dimensiones del billet, diseño de la matriz, y
lubricación).
FIN.
