ESTUDIO COMPARATIVO DE BARRAS DE LATON AL PLOMO

Transcripción

CONAMET/SAM-2008
ESTUDIO COMPARATIVO DE BARRAS DE LATON AL PLOMO PARA
PROCESOS DE FORJA EN VALVULAS DE GAS DE 5 LITROS.
Rodolfo Mannheim (1), Jorge Garin (1) Y Felipe Gutierrez (1).
Universidad de Santiago de Chile, Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Casilla Postal 10233, Santiago, Chile.
[email protected]
Latones, forja, extrusión y colada continua.
Resumen
Los elevados costos del cobre y la fuerte demanda de substitución de piezas de latón al plomo C37700 en
procesos de forja, nos incentiva a llevar a cabo un estudio comparativo de las diferentes barras de latón
obtenidas por extrusión directa, indirecta y colada continua. Se ha demostrado que la aleación de cobre
C37700 es la de mejor comportamiento en forja. El costo de las barras obtenidas por colada continua es
aproximadamente de un 50 a 65 % menor al comparar el costo del proceso productivo con el de extrusión
directa e indirecta.
La composición de las barras en estudio fluctúa en cinc equivalente entre 40.3 y 41,2.
Al observar la macroestructura de las barras de colada continua se aprecian granos columnares que cubren
toda la superficie; esto se debe a que el intervalo de solidificación en el rango de los latones en estudio fluctúa
entre 5 a 10ºC, por el contrario, en las barras extruídas se aprecia una estructura fina. En cuanto a la
microestructura de las barras de extrusión directa e indirecta se observa que las zonas de fase son
aproximadamente redondeadas, siendo bastante más finas las de extrusión directa. En cambio, en la
microestructura de las barras de colada continua, la fase tiene forma dendrítica arborescente y alargada. Los
% de fases fluctúan entre 19 y 37 % y son dependientes de las pequeñas variaciones de composición y
proceso de obtención de las barras que se han utilizado.
En cuanto a las propiedades mecánicas, la dureza Rockwell B fluctúa entre 41 y 53 en función del diámetro
de las barras y del proceso de obtención, siendo las durezas más bajas las barras de colada continua.
La tenacidad es ligeramente menor en barras de colada continua. A modo de ejemplo: una barra de
27 mm de diámetro posee una tenacidad de 21.7 J/cm2, mientras una barra de extrusión indirecta posee una
tenacidad de 34.8 J/cm2. Por otra parte, la carga máxima independiente de la procedencia de las barras fluctúa
entre 4550 a 5340 Kg./mm2 y de las propiedades mecánicas, esta es la de menor rango de fluctuación.
Posteriormente se confeccionan exitosamente - por forja - válvulas de gas de 5 litros con las diferentes barras
de extrusión directa, indirecta y colada continua. Es importante recalcar que las válvulas fabricadas con
barras de colada continua cumplieron todas las exigencias requeridas por el usuario. En estas piezas se
observan marcadas diferencias en la microestructura dependiendo del proceso productivo de las barras.
Las barras de latón obtenidas por extrusión directa e indirecta mostraron marcadas orientaciones
preferenciales (textura), comparadas con las barras obtenidas de colada continua. No obstante, las barras
producidas por extrusión indirecta mostraron ser las más texturizadas.
Estas características estructurales fueron determinadas semi-cuantitativamente mediante difracción
de rayos X. Del mismo modo, se estudió el fenómeno de texturas en las barras luego de la forja, donde
quedó demostrado que las diferencias de textura son muy marcadas en las válvulas elaboradas con barras de
excusión indirecta. Aplicando la ISO 6509 se determino que las válvulas con barras de extrusión directa
tienen el mayor espesor de capa descincsificada.
1. INTRODUCCION
En la actualidad se consumen entre 2500 a 3000
Ton/mes de latón para forja C37700 en Sudamérica.
La diferencia en los costos del proceso productivo de
una barra de latón al plomo elaborada por colada
continua o por un proceso de extrusión-trefilado
puede ser de entre un 55 a 65% menor. Los
volúmenes de consumo de barras de latón C37700
hacen relevantes las cifras antes mencionadas. La
aleación C37700 es la aleación de cobre de mejor
comportamiento en la forja [1]. La macroestructura
de colada es un factor relevante especialmente en las
barras de colada continua y tiene menor importancia
en el billet de colada semi-continua [2].
En los procesos tradicionales es importante
diferenciar entre el empleo de una prensa extrusora
directa o inversa. La fuerza requerida durante la
extrusión de un latón C 37700 se revela en que
debido a la ausencia de fricción la fuerza total
necesaria para la extrusión indirecta es
significativamente menor que la fuerza total
requerida por la extrusión directa [2].
En el caso de un proceso de extrusión directa una
parte del flujo de calor del material extruído en los
componentes de presión es compensado por el calor
de fricción producido entre el billet y el contenedor.
Para la extrusión indirecta la ausencia de fricción
implica que al final del proceso de extrusión se
requiera una presión adicional (colocando en serio
riesgo la prensa para diámetros pequeños).
Debido a la heterogeneidad de la microestructura a
través del producto el límite de fluencia y resistencia
a la tracción de extrusión directa son siempre
menores que el límite de fluencia y resistencia a la
tracción de productos de extrusión indirecta, con
temperaturas de billet, razones de extrusión y
velocidades de productos idénticos.[3]
En el caso de la forja, si consideramos un latón
C37700, las principales variables involucradas son:
la temperatura del tocho en el momento que es
removido del horno de calentamiento; la temperatura
que alcanza el tocho una vez que es ubicado en la
matriz; velocidad de enfriamiento en el proceso de
extrusión; la temperatura una vez finalizado el
proceso de forja; la temperatura óptima en que se
debe encontrar la matriz de forja; la velocidad en que
se efectúa el proceso de forja dependiendo del
diámetro y de la forma de la barra extruída [2].
Trabajos recientes han demostrado que el limite de
fluencia y el % de fase beta disminuyen en la medida
que se haya extruído a temperaturas más elevadas, al
mismo tiempo que la elongación y reducción de área
a la fractura aumentan al incrementar la temperatura
de extrusión [4].
1.1 Textura por Deformación
Cuando se deforma un material policristalino se
modifican las orientaciones de la red, tomando en
este caso orientaciones preferenciales en las que
ciertas direcciones se alinean con las direcciones
principales del flujo plástico de la aleación. Este
proceso de orientación es progresivo, pero no se
completa hasta que las reducciones son del 90% o
mayores. La naturaleza de estas orientaciones
preferenciales, la textura de deformación que se
alcanza al final, es característico de cada aleación y
del tipo de flujo producto del proceso de
conformado.
El gran aumento de los componentes de las texturas
revelados por análisis de EBSD y caracterizado por
los planos {111}_ y por las direcciones ‹112›_ y
‹011›_ pueden explicar el aumento significativo en la
ductilidad y muestran el creciente rol desempeñado
por la transformación Nishiyama-Wasserman y
Kurdjumov-Sachs al incrementar la temperatura de
extrusión [4].
Una pieza o barra con grano fino y orientaciones al
azar tiene propiedades identificas en todas
direcciones, suponiendo que no tiene inclusiones
alargadas, segregaciones o límites de grano
orientados, pero una pieza con textura tiene
propiedades direccionales y presenta anisotropía que
puede ser inapropiada, como por ejemplo en la
embutición de chapas de latón. Las orientación
provocadas por el proceso de conformado no
vuelven a disponerse al azar después de un proceso
de recuperación ni de recristalización, sino que se
modifican para producir después de un recocido final
nuevas texturas [5].
1.2 Textura en barra de colada continúa
Las barras fabricadas en proceso de colada continua
contienen frecuentemente largos granos columnares
que se extienden desde la superficie hacia el interior,
siguiendo las direcciones opuestas de los mayores
gradientes de temperatura existente durante la
solidificación. El eje mayor de los granos
columnares tiende a ser una dirección importante, es
decir, planos cristalográficos notables tienden a ser
paralelos a las paredes del molde. Las texturas en las
proximidades de la superficie de las barras coladas
son parecidas a las obtenidas por deformación,
porque hay una dirección cristalina por índices bajos,
perpendicular a la superficie y los otros ejes
cristalográficos se orientan al azar alrededor de este.
Cuando la solidificación avanza a partir de núcleos
situados sobre las paredes del molde, algunos granos
crecen más que otros. Bajo ciertas condiciones, estos
pueden impedir el crecimiento de los vecinos, de
crecimientos más lentos y formar una zona de granos
columnares que pueden llegar hasta el centro de la
barra colada o dejar paso al final a una solidificación
de granos equiaxiales. En la película externa, la zona
columnar y la interna de los granos equiaxiales
presentas diferentes texturas.
En los latones, se ha encontrado que la longitud de
los granos columnares aumenta al disminuir el
intervalo de solidificación. En el caso en estudio
varia entre 5 y 10 ºC para una variación entre 40.3 y
41.2 de cinc equivalente.
1.3 Cálculo cuantitativo de texturas
A través de difracción de rayos x es posible
determinar los ángulos en que difractan ciertos
planos. A través de un difractograma es posible
obtener las intensidades experimentales de cada fase,
en un ángulo correspondiente, las que son
comparadas entre sí, de acuerdo con las intensidades
teóricas de las mismas fases en el mismo ángulo, las
que son calculadas de la misma forma.
I
I
K exp = 1
K teórico = 1
y
(1)
I 2
I 2
Así a partir del cuociente entre las intensidades
experimentales y teóricas se determina el grado de
texturización que presentan las barras o piezas de
latón, teniendo en cuenta que el valor del cuociente
igual a 1, indica que no hubo texturización del latón.
K exp
Texp . =
(2)
K teórico
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Phases. Por su parte, para la identificación
estructural de las fases componentes, se hizo uso de
técnica de difracción de rayos x, utilizando un
difractómetro Siemens 5000, equipado con un
monocromador de grafito para el haz difractado,
radiación K-alfa de cobre. La dureza fue determinada
en un durómetro marca Wilson-Rockwell serie 2000
Instrom, modelo nº 2001B. Las probetas para ensayo
de tracción se fabricaron según norma ASTM E-8M
y se ensayaron en una máquina de tracción Tinus
Olsen modelo S, 30Tn. Al igual que los ensayos de
tenacidad al impacto se llevaron a cabo en un equipo
Tinus Olsen modelo 892 y las probetas se
confeccionaron según la norma ASTM E-23.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para el desarrollo del presente trabajo se
caracterizaron barras de latón al plomo de 27 mm de
diámetro producidas por colada continua y por un
proceso de extrusión directa e indirecta de este
material que es el que se requiere para la forja
posterior de válvulas de gas de 5 Lts., la
composición química de las barras utilizadas se
expone en la tabla Nº1.
En la figura 1 y 2 se comparan las macroestructuras
de barras de colada continua y una de extrusión
indirecta. Es necesario remarcar que la macroestructura de las barras de colada continua son
totalmente columnares ya que el intervalo de
solidificación de esta barra no supera los 10ºC. En el
caso de la barra de extrusión la macroestructura es
fina sin presencia de granos columnares.
Las barras de latón C37700 de 27 mm de diámetro
tiene la siguiente procedencia:
Barras de extrusión indirecta (1) (CEMBRASS
CHILE), de extrusión directa (2) (CEMBRASS
ARGENTINA), barras de colada continúa (3)
(FEROANCO ARGENTINA). La composición
química fue determinada con un espectrómetro de
emisión óptica EspectroLab, como se detalla en la
tabla 1.
Tabla 1: Composición química
1
2
3
Sn
Pb
Zn
Fe
Ni
Cu
Zneq.
0.22
1.94
38.78
0.21
0.06
58.80
41.24
0.19
2.04
37.83
0.18
0.05
59.71
40.33
0.15
1.83
38.46
0.10
0.03
59.43
40.61
Las macrografias fueron realizadas en un corte
transversal de las válvulas, posteriormente fueron
lijadas y pulidas, y por ultimo atacadas para revelar
las líneas de flujo de forja. La metalografía
cuantitativa se efectuó por medio de un microscopio
de luz (Zeiss Axiotech) y técnicas usuales de pulido
y ataque químico; la determinación cuantitativa de
las fases se resolvió mediante el programa KF-
6.75 mm
Fig. 1: Macroestructura de la barra de latón al plomo
de 27mm de diámetro obtenida por CC
En la figura 3 podemos observar la microestructura
de la barra de 27mm de para barras de extrusión
indirecta y en la fig. 4 para barras de extrusión
directa, mientras en la figura 5 se observa la
microestructura de la barra de colada continua a 500
aumentos. Mientras las barras de extrusión directa e
indirecta son bastante parecidas en su morfología la
barra de colada continua es una serie de cristales
entrelazados por sus vértices que constituye el tronco
de una dendrita arborescente.
25 m
Fig. 5: Microestructura de la barra de 27mm de de
proceso de colada continua X500.
6.75 mm
Fig. 2: Macroestructura de la barra de latón al plomo
de 27mm de diámetro obtenida por extrusión
indirecta.
3.1 Líneas de flujos en válvulas
En la figura 6 se aprecia las líneas de flujo de la
válvula de colada continua, y en la figura 7 se
observa las líneas de flujos para la válvula de ext.
directa y para la válvula de ext. indirecta.
En este caso cada cristal tiene en sus vértices lugares
potenciales para el origen de brazos secundarios, que
podrán originarse y crecer si no son estorbados. Se
puede apreciar en la fig. 5 que a diferencia de los
procesos de extrusión en el caso de la colada
continúa se observan granos alargado de fase en
toda la barra.
Fig. 6: Macrografia de líneas de flujo en válvula
producidas con barras de colada continúa.
25 m
proceso de ext.- indirecta X500.
25 m
proceso de ext.- directa X500.
(a)
(b)
Fig. 7: Macrografia de líneas de flujo en válvula
producidas con barras de (a) ext. indirecta y (b) ext.
directa.
En la válvula de ext. indirecta y de colada continua
puede apreciarse las líneas de flujos en el material
forjado, mientras en la válvula de ext. directa se
observa un flujo más homogéneo, sin apreciar líneas
de flujo en la válvula forjada.
3.2 Calculo de Fase
1600
1500
1400
En la tabla 2 se aprecia el promedio de 8 lecturas por
microscopia óptica y procesamiento de imágenes
para el cálculo de la fase.
1300
1200
1100
1000
900
800
Tabla 2: Porcentaje de fase en las diferentes barras
Ext.-ind.
Ext-dir.
CC
37.07
23.70
19.21
%fase 700
600
500
400
300
200
100
De acuerdo al tipo de microestructura (segregada)
observado para las barras de colada continua son
estas los casos de mayor dispersión, debido en los
valores obtenidos, lo que pude inducir a un mayor
porcentaje de error.
3.3 Difracción de rayos X
0
25
30
40
50
60
70
80
90
100
Fig. 10: Grafico de difracción para barra de 27mm de
por colada continua
Nota. Las líneas rojas corresponde a fase , las
verdes a fase _ y las azules al Plomo)
3.4 Ensayo de Dureza
A modo de comparación en la figura 8, 9 y 10,
examinaremos la gráfica de difracción de rayos x
para las barras de 27mm de extrusión directa,
indirecta y colada continua. Se puede apreciar
diferencias en las alturas de los pick y en el desfase
de estos, producto de la textura.
Las líneas que han sido remarcadas con verde
representan la fase de los latones.
En la tabla 3 se observa el promedio de 10 análisis
de dureza Rockwell B para las barras de 27mm de
extrusión directa, indirecta y colada continua.
Dureza
Rockwell B
Tabla 3
Ext.-ind.
Ext-dir.
53.10
48.50
CC
41.10
Los valores de dureza se ven afectados por la
composición química del latón, por la velocidad de
enfriamiento de la barra ya sea de la extrusora o de la
salida de la coladora continua y del porcentaje de
reducción en el trefilado.
60000
50000
40000
30000
3.5 Resistencia a la tracción
20000
10000
0
25
30
40
50
60
70
80
90
100
por extrusión indirecta.
En la tabla 4 se observa los valores de carga máxima,
fluencia y porcentaje de deformación para las barras
de 27mm de extrusión directa, indirecta y colada
continua.
Fluencia
10000
(Kg/mm2)
9000
8000
Tabla 4 Propiedades mecánicas
Ext.-ind.
Ext-dir.
1929
3060
Carga Máx.
5040
5540
4550
% elongación
32
26
37
(Kg/mm2)
7000
6000
CC
1761
5000
Es interesante mencionar que las fluctuaciones de
carga máxima para las distintas barras no superan el
21 %, a diferencia de las fluctuaciones que se obtiene
en otros ensayos.
4000
3000
2000
1000
0
25
30
40
50
60
70
80
90
100
por extrusión directa.
3.6 Ensayo de Impacto
En la tabla 5 se aprecia la fluctuación del ensayo de
impacto para las barras de 27mm de extrusión
directa, indirecta y colada continua.
Tabla 5
Ext.-ind.
Ext-dir.
CC
Energía (J)
34.80
25.27
21.72
Las variaciones que se observan es el promedio del
ensayo de impacto, estos valores son bastante más
trascendentes que en el caso del ensayo de tracción,
no obstante, esto era de esperarse.
En la figura 11 se observa la morfología de fractura
de una probeta charpy de barra de colada continua,
se puede apreciar una fractura dúctil y fina en
comparación con los productos extruidos. En la
figura 12 se observa la morfología de la fractura de
una probeta charpy de barra de extrusión-trefilacion.
El cuociente entre las intensidades experimentales y
teóricas determina el grado de texturización que
presentan las barras o piezas de latón, teniendo en
cuenta que el valor del cuociente igual a 1, indica
que no hubo texturización del latón. En la tabla 6
observamos los cuocientes de las distintas barras de
láton.
Cuociente
de Tex. Cuociente
de Tex. Tabla 6
Ext.-ind.
Ext-dir.
3.998
1.275
16.135
1.879
CC
0.233
*
*: No presenta pick para cálculo
3.8 Estudio de Pieza Forjada
A partir de los tochos calentados entre 740 y 760ºC
se forjan válvulas de gas de 5 lts. con las barras de
27mm de extrusión directa, indirecta y colada
continúa. En la fig. 13 a modo ilustrativo se observa
una válvula de gas de 5 lts. obtenida con barra de
colada continúa.
Fig. 11: Morfología de Fractura de probeta charpy de
barra de colada continúa de 27mm.
Fig. 13: Válvula de gas de 5 lts. obtenida por forja.
Fig. 12: Morfología de Fractura de probeta charpy de
barra ext. indirecta de 27mm.
3.7 Análisis de Textura
Los coeficientes de texturización de y fueron
calculados de acuerdo a lo expuesto en la
introducción.
En la fig. 14 observamos la microestructura de una
válvula de gas de 5 litros obtenida de barra de
extrusión directa. En la fig. 15 se observa en un
punto similar la microestructura para una válvula
producto de una barra de extrusión indirecta. En la
fig. 16 para comparar con los anteriores se observa
en un punto similar la microestructura de una
válvula obtenido de una barra de colada continua.
Se puede apreciar que la microestructura de la
válvula obtenido con barras de extrusión directa
presenta fase de forma alargada tipo
widmanstantten al igual que la microestructura que
presenta la válvula obtenido con barras de extrusión
indirecta.
25 m
Fig. 14: Microestructura de una válvula obtenido de
una barra por extrusión directa X500.
De la misma forma que en las barras, si el cuociente
de texturización es igual a 1, se dice que la barra no
se encuentra texturizada y mientras más se aleje de
este valor este cuociente, más texturizada se
encuentra la válvula. Si bien es cierto que el nivel de
texturización es mayor después de que la barra es
sometida a forja, el grado de texturización de las
válvulas producidas con barras de extrusión indirecta
es bastante mayor que los otros casos, según se
aprecia en la tabla 7.
3.10 Ensayo de Descincificación.
Este ensayo se realiza bajo Norma ISO 6509, el cual
mide la resistencia a la corrosión en latones. En las
figuras 17, 18 y 19, obtenidas por microscopia
electrónica de barrido, backscattering, se aprecian los
distintos espesores de capas de descincificado en las
válvulas de gas obtenidas con barras de colada
continua, extrusión directa y extrusión indirecta,
respectivamente.
25 m
una barra por extrusión indirecta X500.
284,6 m
25 m
una barra por colada continúa X500.
180 m
Fig. 17: Espesor de capa descincificada en válvula de
gas obtenida por colada continúa X200.
Además podemos apreciar que a pesar de la gran
diferencia de microestructura entre las barras de
colada continua y las extruídas, una vez forjadas
estas son bastante similares.
3.9 Coeficiente de Texturización de pieza forjada
467,5 m
En la tabla 7, se observa el resumen de cuocientes de
texturización de piezas forjadas obtenido de acuerdo
a lo especificado en la introducción.
Cuociente
de Tex. Cuociente
de Tex. Tabla 7
Ext.-ind.
Ext-dir.
2.103
1.754
9.781
0.998
CC
0.321
0.751
400 m
gas obtenida por extrusión directa X100.
•
280,9 m
•
•
•
400 m
gas obtenida por extrusión indirecta X100.
Espesor
máximo de
descincificación
Tabla 8
Ext.-ind. Ext-dir.
280,9
467,5
m
m
CC
284,6
m
4. CONCLUSIONES
•
•
•
•
•
•
•
•
El estudio se llevó a cabo con barras de distintas
procedencia que poseen un Zneq
aproximadamente semejante, permitiendo
realizar el estudio comparativo aún cuando su
origen era de diferente forma de producirlas.
Las macroestructuras de las barras obtenidas por
colada continuas son totalmente columnares lo
que corresponde para la composición de la
aleación. Por otro lado las macroestructuras de
barras extruídas están exentas de granos
columnares y notoriamente más finas que las de
colada continua.
La microestructura de las barras extruídas
muestran fase irregular fina y la de colada
continua una fase dendrítica alargada.
El cálculo de fase en las barras de colada
continua mostró una fuerte dispersión.
En los ensayos de difracción de rayos X las
barras tienen fuertes diferencias de altura en los
pick y desfase lo que se traduce en diferencia de
texturización de las barras.
Las barras de colada continua muestran de
acuerdo al espectro de difracción una fuerte
textura y son ostensiblemente diferentes a los
difractogramas de las barras extruídas.
La variación del cuociente de texturización es
bastante mayor tanto en las barras de extrusión
indirecta como en las válvulas confeccionadas
con las barras anteriores
Los valores de dureza y de resistencia a la
tracción de las barras producidas por extrusión
directa, indirecta y la producida por colada
continua mostraron una fuerte dispersión.
La microestructura de las barras son bastante
heterogéneas, las cuales al recibir un proceso de
forja se homogenizan.
Los valores de las capas descincificada son
elevados debido a la ausencia de aluminio y
arsénico.
Las morfologías de las fracturas de las probetas
Charpy muestran una fractura dúctil para la
barra de colada continua y menos dúctil para las
barras de extrusión.
Lo más relevante entregado por este estudio es
la posibilidad de producir válvulas de gas de 5
lts. utilizando barras de colada continua que
debido a los altos costos de combustibles
actuales,
implican
un
ahorro
de
aproximadamente 65% en el proceso
productivo.
5. REFERENCIAS
1. ASM Specialty Handbook, Copper and Copper
Alloys. Ed. ASM Internacional, August 2001.
2. Dieter,G.E. et al., Handbook of Workability and
Process Design. Ed. ASM International, september
2003.
3. Holler,K. et al. Microstructure and Properties of
Hot Extruded Brass CuZn40Pb2, Materials Science
Forum Vol. 426-432 (2003) pp. 3667-3672.
4. Mapelli, C., Venturini, R., Scripta Materialia
(2006)1169-1173
5. Barret, C.S.,-Massalski, T.B. “Structure of
Metals”, 1988 ed. Mac Graw Hill.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a la
Dirección de Investigación Científicas y
Tecnológicas de la Universidad de Santiago de Chile
(DICYT), y al proyecto FONDECYT nº 1070203,
por el apoyo institucional y financiero otorgado para
la realización del presente trabajo. Se reconoce la
inestimable ayuda experimental presentada por la
Srta. Gladys Olivares R.

ESTUDIO COMPARATIVO DE BARRAS DE LATON AL PLOMO

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