Metalografías de cobre y bronce PDF

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Informe científico donde se reportan los resultados de una práctica de laboratorio de metalografías de cobre y bronce...

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Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales 

Análisis Metalográfico de Aleaciones No Ferrosas de Cobre y Bronce Wilberth Campos1 , Axel Méndez1 1: Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Instituto Tecnológico de Costa Rica. Cartago, Costa Rica. [email protected] [email protected] Resumen Se han sometido dos piezas de diferente material, una tanto de cobre como de bronce para el procedimiento de preparación para una metalografía. Las muestras fueron montadas apropiadamente mediante resina para una apropiada manipulación, pulidas con distintas lijas para generar una superficie apta, seguidamente pulidas mediante una pulidora giratoria para producir una superficie espejo, limpia y sin rayones. Para realizar la metalografía para la diferenciación de fases se aplicó a cada pieza un reactivo para revelar dichas fases. Las metalografías dan a conocer los tamaños de grano, fases y características superficiales que presenta el material. Se concluyó que para la muestra de cobre el reactivo utilizado no reveló de manera satisfactoria las fases, mientras que para la muestra de bronce el reactivo se encapsuló en las fronteras de grano. Palabras clave: Resina, metalografía, pulidor, fases Abstract Two pieces of different material, one copper and one bronze, have been submitted for the preparation procedure for a metallography. The samples were mounted appropriately by resin for proper handling, polished with different sandpapers to generate a suitable surface, then polished by a rotating polisher to produce a mirror surface, clean and without scratches. To perform the metallography for phase differentiation, a reagent was applied to each piece to reveal these phases. The metallography reveal the grain sizes, phases and surface characteristics that the material presents. It was concluded that for the copper sample the reagent used did not satisfactorily reveal the phases, while for the bronze sample the reagent was encapsulated at the grain boundaries. Keywords: Resin, metallography, polisher, phases

INTRODUCCIÓN El método metalográfico para el análisis de diferentes aleaciones metálicas es una herramienta ampliamente utilizada en la ciencia e ingeniería de los materiales por su gran utilidad y por la gran cantidad de información que puede brindar acerca de una aleación determinada. Avner (1998), menciona que “La Metalografía o Microscopía estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de una aleación.” (p.27), aclarando que la metalografía es una técnica de inspección visual que se hace dentro de las dimensiones en micras (normalmente, se observa el metal estudiado con un aumento de 100x). Mediante el empleo del proceso metalográfico, es posible evaluar muchas características del metal bajo observación, como por ejemplo, el tamaño de grano, las fases presentes, cómo estas últimas se encuentran distribuídas, así como que la metalografía permite establecer el estado en el que se encuentra el metal (deformado en frío o sin deformar) o si este ha sido tratado térmicamente con alguno de los muchos tratamientos existentes. Sin embargo, para lograr obtener toda esta información

de una manera correcta a partir de una metalografía, es necesario llevar a cabo una apropiada preparación de la muestra del material que se desea estudiar. En la industria, el análisis metalográfico de las aleaciones metálicas con las que se trabajen constituye un importante método para llevar un control de calidad de la materia prima que se utiliza, de manera que se evidencie que dicho material cumpla con los requerimientos estructurales para que se desempeñe de la manera esperada en su aplicación. Además, permite el estudio de las zonas de fractura de un material, permitiendo así acercarse a una conclusión del porqué falló tal material. En conclusión, la aplicación de la técnica metalográfica es de suma utilidad no sólo en la industria, sino también en el campo de la investigación y el desarrollo de nuevos componentes mecánicos, por ejemplo. A partir de esto, el trabajo realizado se llevó a cabo con el objetivo de estudiar el proceso metalográfico para evaluar dos muestras de materiales metálicos no ferrosos (es decir, con nada o despreciable cantidad de hierro en sus composiciones químicas) y así lograr analizar sus respectivas estructuras microscópicas. MATERIALES Y MÉTODOS El trabajo metalográfico fue desarrollado sobre una muestra de dos aleaciones metálicas no ferrosas; una muestra de cobre aleado y una muestra de bronce (aleación de cobre y estaño). La muestra de cobre fue cortada mediante un cortador de disco abrasivo rotatorio, lubricado en todo momento. Por otro lado, la muestra de bronce fue cortada manualmente con una segueta. Seguidamente, se procedió a adherirle una resina a ambas muestras para facilitar el manejo de ambas durante el desbaste y el pulido. La figura 1.a muestra la resina utilizada, mientras que la figura 1.b permite visualizar el dispositivo usado para unir ambas muestras a la resina.

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Figura 1. a). Resina sólida utilizada. b). Dispositivo empleado para adherir la resina a las muestras

La resina fue aplicada sobre las muestras empleando calentamiento para fundirla, y luego se enfrió para solidificarla nuevamente; se utilizó una copa medidora y media de resina para cada muestra. Una vez listo el montaje de las muestras, se les realizó un desbaste grosero primeramente con lija de partícula grande en una máquina giratoria que agilizó el proceso. Seguidamente, se procedió con el desbaste progresivamente más fino, iniciando con lija 240, luego 320, luego 400 y por último, lija

600. Más adelante, se muestran imágenes de la superficie de ambas muestras luego del desbaste con cada una de las lijas mencionadas. Todos los desbastes efectuados se lubricaron con agua. Seguidamente, se procedió a realizar el pulido de las muestras; este se hizo hasta alcanzar un acabado de espejo en la superficie de los metales. Se utilizó una pulidora giratoria con paño y se aplicó polvo fino de alúmina como abrasivo, lubricado el paño con agua. Una vez finalizado el pulido, se pasó a atacar químicamente las probetas. Para el ataque químico se utilizó en ambas probetas dicromato de potasio, con el fin de revelar los bordes de grano y las fases presentes en los materiales. Se aplicó el oxidante en ambos metales por 15 segundos y se removió seguidamente con agua en ambos casos. De acuerdo con el «ASM Handbooks Online» (s.f), este compuesto es apropiado para ambas aleaciones utilizadas para el experimento, sin embargo, para el caso del cobre aleado, se obtuvo un comportamiento inesperado que se discutirá en la siguiente sección de este informe. Luego de atacar químicamente las dos aleaciones bajo análisis, se examinaron sus superficies con un microscopio de luz con un aumento de 100x y se capturó una imagen de ambas aleaciones no ferrosas, mostradas más adelante. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Cobre aleado El proceso de corte fue exitoso y se obtuvo una probeta de la aleación de cobre apropiada para someterla al estudio metalográfico; de igual manera, el proceso de montaje de la misma concluyó de manera satisfactoria, permitiendo así una mayor facilidad de manejo de la probeta. La figura 2 permite ver cómo quedó la probeta incrustada dentro de la resina apropiadamente, y luego de haberle aplicado el primer desbaste grosero.

Figura 2. Probeta de cobre tras un montaje satisfactorio. La superficie del cobre presenta rayones gruesos producto del desbaste grosero.

Los desbastes siguientes, hechos de manera progresivamente más finos, eliminaron cada uno los rayones producidos por la lija anterior, obteniendo así rayas cada vez más delgadas sobre la superficie de la probeta de cobre aleado. La figura 3 muestra imágenes de la superficie de la muestra luego de realizar un desbaste con una lija determinada; las imágenes, todas a 100x aumentos, fueron capturadas con el microscopio de luz.

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Figura 3. a). Superficie del cobre luego del desbaste con lija 240. b). Superficie luego de desbaste con lija 320. c). Superficie luego de desbaste con lija 400. d). Superficie luego de desbaste con lija 600.

La figura 3. a) muestra cómo se observó la superficie de la aleación de cobre luego de someterla a un desbaste con lija 240. Esta lija aún presenta un tamaño de partícula relativamente grande y se puede observar que su aplicación dejó sobre la superficie de la probeta rayones de considerable grosor. Luego, en la figura 3. b), se puede ver la superficie de la misma probeta luego del desbaste con la lija 320. El tamaño de partícula de esta lija es más pequeño y produce unos rayones más finos sobre el metal, como se puede apreciar en la imagen; además, los rayones del desbaste anterior desaparecieron y los que se observan son los nuevos rayones, así como se puede apreciar un rayón que no tiene la misma orientación de los demás, cerca de la esquina superior derecha de la imagen, el cual deberá ser removido en los siguientes desbastes restantes. Para el caso de la figura 3. c), se muestra la superficie del metal luego de exponerse a un desbaste con lija 400. En la imagen se observa que los rayones producidos por la lija se encuentran orientados en una misma dirección y se puede apreciar que cada vez son más finos y menos bruscos que los rayones existentes anteriormente. Por último, en la figura 3. d), la superficie se encuentra lijada con lija 600, la lija más fina utilizada. En este estado, la probeta cuenta con rayones bastante finos y la gran mayoría están orientados en la misma dirección, lo cual representa una superficie apta para pasar al proceso de pulido para obtener el acabado espejo necesario para realizar el ataque químico. El pulido de la probeta de cobre permitió obtener el efecto de espejo en la superficie, con pocos rayones en esta última. Luego del ataque químico con dicromato de potasio, la figura 4 evidencia cómo se observó la superficie de la aleación estudiada.

Figura 4. Superficie atacada químicamente de la aleación de cobre. Nótese que no se observa una microestructura clara.

A partir de la imagen obtenida del microscopio de luz, se evidenció que el químico utilizado para revelar la microestructura de la aleación de cobre no fue efectivo. Algunos factores pudieron influenciar dicho efecto; uno de ellos, es que la composición química exacta de la aleación no era

conocida, por lo que, a pesar de que el dicromato de cobre es efectivo en la gran mayoría de aleaciones de cobre, no se pudo corroer de manera correcta el material y probablemente el dicromato de potasio no era la mejor opción. Otro posible factor pudo ser el tiempo insuficiente de aplicación del químico o también, un efecto retardado del mismo, es decir, que no se le dio suficiente tiempo al químico para que surtiera su efecto esperado. Estas posibles ocurrencias pudieron ser las responsables del resultado obtenido. En la imagen de la figura 4, se pueden observar en la superficie de la aleación varios puntos negros que son muy probablemente, impurezas incrustadas provenientes de las lijas utilizadas para los desbastes o incluso del paño para el pulido. También, se observan unas líneas en la superficie que son rayones residuales del pulido; no son, por consiguiente, ningún tipo de borde de grano. A partir del trabajo realizado y el resultado final, no fue posible hacer un análisis metalográfico satisfactorio y apropiado ya que no se pudieron observar los granos del metal, las fases y sus distribuciones, los bordes de grano y demás características que se pudieron haber extraído a partir de un resultado positivo. La figura 5 representa un resultado positivo y esperado luego de atacar químicamente la aleación de cobre.

Figura 5. Metalografía correcta de una aleación de cobre. Nótese que se visualizan los bordes de grano claramente. Tomada del ASM Metals Handbook.

A partir del experimento y el proceso completo realizado, era de esperarse un resultado final de la metalografía similar al de la figura 5; sin embargo, por posibles factores mencionados anteriormente, este no fue el caso. Un resultado positivo se habría observado de manera semejante a la imagen de la figura 5, con los bordes de grano claramente visibles y resaltados y de igual manera, se habría observado los granos, con sus diversas formas y tamaños. Bronce El proceso de corte de bronce fue exitoso y rápido dado al pequeño tamaño de la muestra, obteniéndose así una probeta apropiada para realizar el proceso metalográfico. El proceso de montaje finalizó de manera exitosa dado a la firmeza que presentó la pieza en la resina. En la figura 6 se puede apreciar cómo quedó la probeta incrustada dentro de la resina apropiadamente luego de finalizado el proceso de montaje.

Figura 6. Probeta de bronce tras un montaje satisfactorio. La superficie presenta corrosión dado a la aplicación del reactivo.

Después de realizar el montaje adecuado, se comenzó a realizar diversos desbastes por medio de lijas. Los desbates siguientes hechos de una manera progresiva eliminando cada uno de los rayones producidos por cada una de las lijas anteriores utilizando un método de rotación de la muestra para una eliminación total de rayas. La figura 7 muestra imágenes de la superficie de la muestra de bronce luego de realizar un desbaste con cada una de las lijas, de igual forma; las imágenes, todas a 100x aumentos, también fueron capturadas con el microscopio de luz.

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Figura 7. a). Superficie del cobre luego del desbaste con lija 240. b). Superficie luego de desbaste con lija 320. c). Superficie luego de desbaste con lija 400. d). Superficie luego de desbaste con lija 600.

En la figura 7 a) se puede observar una superficie con rayas muy gruesas y de tonalidad blanca, esto se expresa debido a el grosor de las partículas de la lija correspondiente como lo fue en este caso la lija 240, todo el procedimiento se dio en una sola dirección. En la figura 7 b) se observa unos rayones más finos y menos llamativos en comparación con el lijado anterior, esto se da debido al tamaño de partícula en la lija el cual disminuyó repercutiendo así en la superficie del material, el lijado se dio a noventa grados comparación al procedimiento anterior lo cual generó un cambio en la dirección de las líneas, sin embargo se puede observar que aún existen líneas en direcciones contrarias producto del desbaste anterior lo cual se comenzará a remendar conforme varían las lijas utilizadas. Para el caso de la figura 7 c) de igual manera el tamaño de las rayas disminuyó, gracias al tamaño de partícula del lija 400 sin embargo presenta la misma característica de rayas en direcciones contrarias a la mayoría sin importar que el lijado se haya realizado nuevamente a noventa grados en comparación al anterior proceso. Esta figura presenta la característica de poseer en su medio un círculo de color blanco, esto se da producto de un desgaste de la probeta dado a un cúmulo de material que se encontraron presentes en la lija al momento del debate, el cual se incrustó en el material produciendo así una marca. Para finalizar en la figura 7 d) se logra observar un cambio en comparación a las lijas anteriores, el uso de la lija 600 produjo una alta eficiencia en base a la dirección de las líneas o rayas, una gran cantidad de estas se encuentran hacia la misma dirección lo cual presenta una efectividad alta para proseguir al pulido.

Finalizada la etapa del desbaste con las distintas lijas, se procedió al pulido, el proceso demoró varios minutos dado a los aún existentes finos rayones que presentaba la probeta luego del desbaste anterior, se requirió aplicar diversas veces cantidades de polvo fino de alúmina y frotar contra la pulidora la muestra de forma circular con un constante paño de agua para que poco a poco la superficie generara un espejo. Para la aplicación del ataque químico se requirió el conocimiento de el reactivo necesario para corroer el material, en el caso del bronce después de una investigación se comprobó que el reactivo más efectivo sería el dicromato de potasio, con el cual la pieza generaría una corrosión en las fronteras de grano, lo cual sería visible a nivel de microscopio, tal y como se observa en la figura 8.

Figura 8. Superficie del bronce luego del ataque con dicromato de potasio experimental.

Figura 9. Superficie de una aleación cobre-níquel,25% luego del ataque con dicromato de potasio.

En la figura 9 se puede observar el ataque químico realizado con dicromato de potasio a una aleación de cobre y níquel al 25% con un aumento a microscopio de 50x. En comparación a el ataque realizado a la probeta de bronce se pueden observar características muy similares, de igual forma el dicromato se incrusto en las fronteras de grano y produjo la oxidación en dicho sector por lo tanto en dicromato de potasio en relación con el cobre produce el mismo efecto sin importar la aleación que esté presente, comparando la figura 9, el níquel y por otro lado en la figura 8 el estaño.

CONCLUSIONES 1. Las metalografías permiten visualizar las características microestructurales de un metal o aleación relacionando sus propiedades físicas, químicas y mecánicas 2. El reactivo corrosivo a utilizar es fundamental para revelar a mayor profundidad las características físicas del material

3. El reactivo utilizado en la aleación de cobre no fue el indicado, dado a que no reveló las fases del material de una manera contundente en comparación con la muestra de bronce

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS («ASM Handbooks Online», s. f.) Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física  (Segunda). México, D.F: McGraw-Hill. Conejo, M., & Jiménez, R. (2004). Manual de prácticas. Cartago, Costa Rica: Tecnológica de Costa Rica....