Niquel y Sus Aleaciones

TEMA: “Microanálisis de las Aleaciones de Níquel y Cobre”.

1. RESUMEN. El presente laboratorio se refiere al microanálisis de las aleaciones de cobre y níquel para la observación de microestructura, determinación de elementos aleantes por medio de la comparación de las microfotografías de las probetas con la referencia bibliográfica del Metal Handbook, así como determinar el tamaño de grano para cada caso. Al concluir con los cálculos podemos ver que en la probeta de níquel no se puede determinar el tamaño de grano ya que es una estructura monofásica. Además que presenta una Dureza Brinell de 27,66 HRC El bronce nos presenta una estructura bifásica, con una dureza de 50,86 HB, con lo que se lo caracterizo como un bronce plomado SAN-Pb15.

2. INTRODUCCIÓN. 2.1 NIQUEL Y SUS ALEACIONES. 2.1.1 NIQUEL.El níquel es un metal muy importante dentro de la ingeniería y sus características son: gran resistencia a la corrosión y a la oxidación a alta temperatura, gran capacidad de trabajado, buenas propiedades mecánicas, forma soluciones solidas tenaces y dúctiles, es de color blanco, es moldeable gracias a su estructura cristalina ccc, tiene alta densidad (8,9

⁄

) se lo utiliza como recubrimiento para piezas sometidas a desgaste y corrosión.

La resistencia a elevadas temperaturas, ductilidad y tenacidad a bajas temperaturas son las características de un níquel forjado, por otro lado el níquel fundido es exclusivamente utilizado para piezas resistentes a la corrosión. Entre las clases de níquel que se encuentran en el mercado se tiene: Níquel A. Material básico con un contenido mínimo de 99% de níquel con contenido de cobalto, utilizado en equipos de procesamiento en industrias químicas y de jabón, para construir hervidores encamisados, evaporadores, bobinas de calentamiento, etc. El níquel fundido comercial contenido aproximadamente 2% de silicio para mejorar la fluidez y la capacidad de fundición. Níqueles D y E. Con composición aproximada del níquel A pero con inclusión de manganeso en un 4.5 y 2%. Con la adición de manganeso se mejora a elevadas temperaturas la resistencia al ataque atmosférico. El níquel D se utiliza en electrodos para bujías, pernos refractarios para calderas de vapor, tubos de ignición. Duraniquel. Aleación de níquel-aluminio forjada con características: endurecedle por envejecimiento, resistente a la corrosión, se utiliza para construir resortes para ropa y armazones ópticos, para anzuelos, piezas de aparejos de pescar. Permaniquel. Aleación al alto níquel templadle por envejecimiento, con buena conductividad eléctrica y térmica, mejores propiedades magnéticas.

2.1.2 ALEACIONES DE NIQUEL Aleaciones de Níquel – Cobre. El cobre es soluble en el níquel, añadido para favorecer la formabilidad y disminuir el precio. A continuación se presentan las aleaciones de Ni-Cu más importantes:

Monel. Tiene alta resistencia a los ácidos, salmueras, álcalis, atmosfera y es utilizado en campos como farmacéutico, marino, energético, eléctrico, de lavandería, equipo de fabricación de papel. Monel R. Con contenido de azufre que ayuda a mejorar la maquinabilidad. Monel K. Con 3% de Aluminio que hace una aleación templadle por envejecimiento. Se utiliza en flechas para bombas marinas, resortes, instrumentos para avión, cojinetes de bolas y herramientas de seguridad. Moneles H y S. Con 3 y 4 % de silicio respectivamente, se utiliza en asientos para válvula, camisas para bombas e impulsores. Constantán (45% Ni- 55%Cu). Con la característica principal que tiene la más alta resistividad eléctrica y más bajo coeficiente de resistencia eléctrica a la temperatura, se utiliza en resistores eléctricos y termopares.

2.1.3 Aleaciones de níquel-silicio-cobre Hastelloy D. Contiene 10% de silicio y 3 % de cobre, aleación fuerte, tenaz y muy dura, presenta resistencia a la corrosión al acido sulfúrico concentrado y se utiliza en evaporadores, ductos, tuberías, accesorios en la industria química.

2.1.4 Aleaciones de níquel-cromo-hierro Chromel A, Nichrome V (80Ni-20Cr). Utilizado en elementos eléctricos de calefacción para hornos industriales y aparatos caseros. Chromel C, Nichrome (60Ni-16Cr-24 Fe). Utilizado en elementos eléctricos para tostadoras, planchas, cafeteras, etc. Inconel(76Ni-165Cr-8Fe). Se utiliza para calentadores de avión, en hornos y tratamientos térmicos. Inconel X. Endurecible por envejecimiento asegurado por aleaciones de de titanio (2025 a 2.75 %) y aluminio (0.4 a 1%). Se utiliza para cargadores de gas para turbina y piezas para sistemas de propulsión a chorro y resortes.

2.1.5 Aleaciones de níquel-molibdeno-hierro Hastelloy A y B. A (57Ni-20Mo-20Fe) B (62Ni-28Mo-5Fe) aleaciones austeníticas y no responden al envejecimiento, tienen alta resistencia a la corrosión por acido hidroclórico, fosfórico, se usa en la industria química.

2.1.6 Aleaciones de níquel-cromo-molibdeno-hierro Hastelloy C (54Ni-15Cr-17Mo-5Fe-4W). Alta resistencia a la corrosión al acido nítrico y sulfúrico y atmosferas de oxidación hasta temperaturas de 1093 . Hastelloy X (47Ni-22Cr-9Mo-18Fe). Relevante resistencia general y resistencia a la oxidación hasta 1204 utilizado en hornos industriales y ciertas piezas para avión.

,

2.1.7 Aleaciones de níquel-cromo-molibdeno-cobre IlliumB (50Ni-28Cr-8.5Mo-5.5Cu) y G (56Ni-22.5Cr-6.5Mo-6.5Cu. Superior resistencia a la corrosión en aleaciones de fundición maquinables de alta resistencia. Illium R (68Ni-21Cr-5Mo-3Cu). Proporciona resistencia al calor y a la corrosión.

2.1.8 Aleaciones de níquel-hierro Invar. Con un 35% de níquel se lo usa donde se requiere poco cambio de tamaño con cambio de temperatura por ejemplo patrones de medida, cintas de medición, etc. Kovar y fernico. (28% de Ni, 18 % de Co y 54% de Fe) Platinita. Con un porcentaje de 46% de Ni. Mismo coeficiente de expansión que el platino Permalloy. Con 78% de Ni que tiene alta permeabilidad magnética, baja resistividad eléctrica.

2.2 Aleaciones de cobre.Las propiedades del cobre son la buena conductibilidad eléctrica y térmica, buena resistencia a la corrosión, maquinabilidad, resistencia y facilidad de maquinar. Además, el cobre no es magnético y puede ser soldado con latón y estaño. La mayor parte del cobre se emplea para hacer conductores eléctricos que contiene 99,9% Cu. El cobre arsenical, que contiene como 0,3% de arsénico tiene mejor resistencia a la corrosión y se utiliza para ciertas aplicaciones en condensadores e intercambiadores de calor El cobre de alta maquinabilidad, con aproximadamente 0,6% de telurio, tiene excelentes propiedades de maquinado por lo que se lo usa en pernos, tornillos, puntas para soldar, y piezas eléctricas. El cobre con contenido de plata, tiene de 7 a 30oz/ton de plata, la cual eleva la temperatura de recristalización del cobre, se los prefiere para motores eléctricos de ferrocarriles y aviones Las aleaciones de cobre más importantes en el mercado se las puede clasificar como: 1) Latones aleaciones de cobre y zinc: A. Latones alfa – contiene hasta 36% Zn a) Latones amarillos, alfa 20 a 36% Zn b) Latones rojos de 5 a 20% Zn B. Latones alfa más beta 54 a 62% Cu 2) Bronces hasta 12% de elementos de aleación: A. Bronces al estaño B. Bronces al silicio C. Bronces al aluminio D. Bronces al berilio 3) Cuproníqueles 4) Platas níquel – aleaciones de cobre, níquel y zinc

2.2.1 Latones alfa. Los que más se utilizan son el latón para cartuchos (10Cu-30Zn) y el latón amarillo (65Cu-3Zn). Las aplicaciones son en paneles para radiador, tanque, fanales cubiertas para linternas eléctricas, portátiles, ojos de cerraduras, sujetadores, anillos para cordones de talegas, remaches, resortes, accesorios de plomería y municiones. Dos variaciones de los latones alfa para darles mejores propiedades son el metal admirally (71Cu-28Zn-1Sn) con 1% de estaño mejora la resistencia y la resistencia a la corrosión se los usa para tubos de condensadores e intercambiadores de calor.

2.2.2 Latones rojos Tienen de 5 a 20% Zn tiene mayor resistencia a la corrosión que los latones amarillos y no son susceptibles a dezincificacion.Entre estos latones están: El oropel (95Cu-5Zn) tiene mejor resistencia que el cobre y se usa para medallas, fichas, capsulas de fusibles, fulminantes, emblemas, placas y base para elementos recubiertos de oro El bronce comercial (90Cu-10Zn) tiene buenas propiedades de trabajo en frio y en caliente se lo usa en joyería de fantasía, polveras, ferretería marina, piezas forjadas, remaches y tornillos El latón rojo (85Cu-15Zn) se lo usa en conductores eléctricos, tubos condensadores y de intercambiadores de calor, tubos de plomería, paneles de radiadores. El latón bajo (80Cu-20Zn) se lo usa en trabajos metálicos ordamentales, medallones, fuelles de termostato, instrumentos musicales, tubos flexibles

2.2.3 Latones alfa más beta Entre los principales esta: El metal muntz (60Cu-40Zn) tiene buena resistencia y buenas propiedades en caliente, se los usa en cubierta de barcos cabezas de condensador, metal dentado y trabajos de arquitectura, en vástagos de válvulas, varillas de soldar en latón.

2.2.4 Bronces al estaño Se refieren a bronces al fosforo con 0,01 a 0,5% de fosforo y 1 a 11% de estaño, tiene alta resistencia a la corrosión, bajo coeficiente de fricción, por lo que se los usa en fuelles, arandelas de sujeción, seguros, bujes, disco de embragues y resortes

2.2.5 Bronces al silicio.Tienen menos del 5%Si, y son unifasicas, sus propiedades son comparables a los aceros de bajo carbono y resistencia a la corrosión comparable a la del cobre. Se usan en tanque, recipientes a presión, construcción marina y conductores hidráulicos sujetos a presión.

2.2.6 Cuproníquel.Tiene hasta 30% de níquel, las cuales son aleaciones monofásicas, tienen alta resistencia a la corrosión por fatiga y a la acción corrosiva y erosiva de movimiento del agua de mar, se los emplea en tubos condensadores, destilerías, evaporadores, intercambiadores de calor y plantas energía costeras.

3. EXPERIMENTACION. 3.1 Procedimiento. 3.1.1 Análisis de microestructura.  



Preparar la muestra con el procedimiento metalográfico según la norma ASTM E3 [1] Atacar las probetas con los siguientes reactivos: Para Cu-Sn, atacar con el reactivo Cu51 por aproximadamente 20 segundos. Para el níquel se atacó con acido Ni21 por el tiempo de 20 segundos. Observar en el microscopio metalografico la microestructura a diferentes aumentos y tomar las fotografías para el análisis correspondiente.

Medicion de Dureza Brinell.

3.1.2 Dureza Brinell.      

Colocar en el durometro la bola de 2.5mm como identador Aplicar la carga en el durometro adecuada de 612N para el bronce Cargar la probeta Retirar la carga de la probeta despues de 10s, realizar 2 huellas Observar la probeta en el microscopio, y medir la huella con el dispositivo que tiene el microscopio,obtener las medidas que sean convenientes Realizar un promedio de las medidas obtenidas Aplicar la formula o consultar en las tablas con el diametro de la huella, para determinar la dureza del material.

3.2 Materiales. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14)

Probeta de Níquel Puro Probeta de Bronce. Alúmina Algodón Reactivos respectivos para el ataque a los elementos Níquel y Cobre. Equipos. Compresor de aire Pulidora de disco con paño Montadora de muestras Banco de lijas Lijas Discotom Cámara digital Microscopio metalográfico

Fig.1.- (a) Microscopio metalográfica (b) Microscopio con adaptador para Cámara digital [2]

15) Durómetro

Fig. 2.- a) Durómetro, b) Identador bola de 2.5mm de diámetro [2]

4. RESULTADOS. 4.1 Análisis de Níquel.4.1.1 COMPARACION DE LA MICROESTRUCTURA DEL NIQUEL PURO.

Fig.3. Microestructura de la probeta de níquel a 200X atacada conNi21 en la cual se observó una superficie monofásica [2]

Fig.4.- Microestructura de la probeta de níquel a 500X atacada no Ni21, y una estructura monofásica [2]

[3]

Comparando la microestructura obtenida de la probeta con las fotografías del Metals Handbook, se aprecia que no tiene similitud con ninguna de las fotografías ya que es Níquel puro. Pero la que mas se asemeja en la microestructura es la fotografía 2614. La cual es una aleación de níquel monofásica por lo que sería difícil encontrar el tamaño adecuado de grano.

4.1.2

Dureza Rockwell C.-

Lo que nos dará una dureza de 267 HB

4.2 Cobre.4.2.1 Microestructura.-

Fig 5.- Bronce plomado, atacado con Cu51 microestructura dendritica, a) 100X, b) 500X [2]

Las zonas cafés presentan una estructura dendrítica la cual es una fase ε, la cual se encuentra en una matriz α la zona blanca y algo de inclusiones en el bronce probablemente fosforo.

4.2.2

Porcentaje de fases.

Fig.6.- Microestructura de Bronce plomado, analisis de segmentacion en ScopePhoto [2]

Fig. 7.- Diagrama de equilibrio Cu-Sn [4]

(

) (

)

4.2.3 Dureza Brinell. (

)

( (

) √

)

El porcentaje de estaño es alto para un bronce, hay que tomar en cuenta que no solo es una aleación solo de cobre estaño, sino que también se le pudo añadir plomo que es muy común en los bronces comerciales

4.2.3

Caracterización.Tabla 1.- Bronces Plomados [5]

Por la dureza y el porcentaje de cobre aproximado nos da un bronce plomado San-Pb15, el cual nos de un porcentaje de elementos de aleacion con un minimo de 21,5% lo que se aproxima a las caracteristicas de este material

5. CONCLUSIONES. a)

Se aprendió a identificar las fases que intervienen en cada una de las diferentes muestras, así como el efecto que producen en las propiedades mecánicas según su estructura. b) El tamaño de grano en la probeta de níquel no es posible por ser una estructura monofásica. Tampoco se la puede determinar en el bronce ya que la microestructura presenta una estructura dendrítica que es irregular c) La dureza del níquel es mucho mayor que la del acero por lo que se comprueba que el níquel es más duro que el acero y que al alear el acero con níquel gana en dureza d) El bronce es un material aproximado al SAN-Pb15, por su composición química y por su dureza

6. RECOMENDACIONES. 1) Se recomienda tener mucho cuidado al momento de manipular los reactivos para los ataques químicos correspondientes ya que son muy peligrosos y podrían ocasionar quemaduras graves. 2) Contar con cuidado la probeta de níquel ya que al ser dura, se puede romper el disco de corte de discotom

7. REFERENCIAS. [1] ASTM. Standar Practice for Preparation of Metallografic Specimens. ASTM E3-95 [2] fuente propia, Laboratorio de Materiales, Espoch [3] ASTM: Metals Handbook, Properties and Selection of Metals, 1961, Vol 7, New York, USA, p 294,316. [5] Sanmetal.s.a ,Productos de Aleaciones de Bronces y Cobres [6] AVNER Sydney, Introducción a la Metalurgia Física, Segunda Edición, 1988, Ed McGraw-Hill, U.S.A,