Aleacion Pb- Sn

I.- TITULO: “FABRICACIÓN, OBTENCIÓN Y RECONOCIMIENTO MICROESTRUCTURAL DE ALEACIONES: ALEACIÓN ALUMINIO-ZINC (Al - Zn)”

II.- OBJETIVOS:

1. Conocer los métodos de fabricación de las aleaciones.

2. Obtener aleaciones binarias de tipo Hipoeutécticas, Eutécticas e Hipereutécticas.

3. Aprender un método que permita calcular la cantidad proporcional en porcentaje en peso, de los elementos característicos de cada aleación

4. Reconocer microestructuralmente las estructuras de las aleaciones fabricadas.

III.- FUNDAMENTO TEORICO:

3.1.- Conceptos Básicos:

3.1.1.- Aleación: Es una mezcla de 2 ó más elementos químicos, de los cuales por lo menos uno es metal; que forman una solución sólida dentro de un límite de composición química y temperatura.

Los sistemas de aleaciones se clasifican de acuerdo con la cantidad de componentes o elementos que lo constituyen:

- Aleación o Sistema Binario: conformada por 2 componentes (A - B); como ejemplo de este tipo de aleación, tenemos:

Bronce: aleación de Cu – Sn

Latón: aleación de Cu – Zn

- Aleación o Sistema Ternario: Conformada por 3 componentes (A - B - C); como ejemplo de este tipo de aleación, tenemos:

Acero inoxidable austenítico: aleación de Fe – Cr – Ni

Babbitt: aleación de Pb – Sn – Sb

- Aleación o Sistema Cuaternario: Conformada por 4 componentes (A - B – C - D); como ejemplo de este tipo de aleación, tenemos:

Bronce SAE 1040: aleación de Cu – Pb – Sn – Zn

3.1.2.- Estado: Son las posibles formas de la materia sólida, líquida y gaseosa.

3.1.3.- Sistema: Es el conjunto de fases en equilibrio.

3.1.4.- Componente: Son los elementos metálicos que conforman una aleación.

Ejemplo: Sea la aleación Pb - Sn – Sb; los componentes de esta aleación son: Pb, Sn, Sb.

3.1.5.- Fase: Es una porción físicamente homogénea de un sistema, y desde el punto de vista microestructural, las fases es una región que difiere en estructura y composición de otra región.

3.2.- Sistemas o Diagramas de Equilibrio Binarios:

Los diagramas de equilibrio o diagramas de fase, son una herramienta muy importante en el estudio de las aleaciones. Estos diagramas tienen la forma de un mapa que definen las regiones de estabilidad de las diversas fases que pueden ocurrir en un sistema de aleación bajo la condición de presión constante.

3.2.1.- Tipos de Diagramas de Equilibrio Binarios: Se clasifican en tres tipos de diagramas:

Diagramas de equilibrio de solubilidad completa o sistemas de aleaciones isomorfas.

Sistemas de equilibrio en las que sus componentes son totalmente solubles en estados líquidos e insolubles en estado sólido.

Sistemas de equilibrio en las que sus componentes son totalmente solubles en estado líquido y parcialmente soluble en estado sólido.

a) Sistemas de Aleaciones Isomorfas: Son aleaciones que son completamente solubles en estado líquido y sólido.

En relación a los dos elementos que se disuelven completamente entre sí, normalmente satisfacen una o más de las siguientes condiciones formuladas por Hume Rothery:

1. La estructura cristalina de cada elemento de la solución sólida debe ser la misma.

2. El tamaño de los átomos de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más de un 15%.

3. Los elementos no deben formar compuestos entre sí: esto es, no debería haber diferencias apreciables entre las electronegatividades de ambos elementos.

4. Los elementos deben tener la misma valencia.

Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria es el sistema Cu - Ni. En la Fig. se muestra un diagrama de fases de este sistema con la composición química (% en peso) en abscisas y la temperatura (en °C) en la ordenada. Este diagrama se ha determinado en condiciones de equilibrio o enfriamiento lento, a presión atmosférica, y no tiene aplicación para aleaciones que se enfríen rápidamente en el rango de temperaturas de solidificación. El área sobre la línea superior del diagrama, llamada liquidus, corresponde a la región de estabilidad de la fase líquida y el área por debajo de la línea inferior, o solidus, representa la región de estabilidad por la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida.

En la región monofásica correspondiente a la solución sólida , tanto la temperatura como la composición de la aleación se deben especificar con el fin de situar un punto en el diagrama de fases. Por ejemplo, la temperatura de 1050 °C y la composición del 20% de Ni determinan el punto a sobre el diagrama de fases Cu - Ni de la Fig. 01. La microestructura de la solución sólida a esta temperatura y composición presenta el mismo aspecto que la de un metal puro. Es decir, el único rasgo observable en el microscopio óptico serán los bordes de grano. Sin embargo, debido a que la aleación es una solución sólida del 20% de Ni en Cu, ésta tendrá mayor resistencia y resistividad eléctrica que el cobre puro.

En la región entre las líneas de liquidus y solidus, coexisten las fases sólida y líquida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación.

Consideremos una aleación de 53% en peso de Ni y 47% en peso de Cu a 1300 °C . Como esta aleación contiene tanto la fase líquida como la sólida a 1300 °C, ninguna de estas fases puede tener la composición promedio de 53% Ni - 47% Cu. Las composiciones de las fases líquida y sólida a 1300 °C se pueden determinar trazando una isoterma horizontal a 1300 °C desde la línea de liquidus hasta la de solidus, y luego descender mediante líneas verticales hasta el eje horizontal de composiciones. La composición de la fase líquida (wl) a 1300 °C es 45% en peso de Ni y la de fase sólida (ws) del 58% en peso de Ni, como indica la intersección de líneas verticales de trazos con el eje de composiciones.

Los diagramas de fases de equilibrio para componentes que son completamente solubles entre sí en estado sólido se pueden construir a partir de una serie de curvas de enfriamiento líquido-sólido, como se muestra para el sistema Cu - Ni. Las curvas de enfriamiento para metales puros muestran horizontales de estabilización térmica en sus puntos de solidificación.

Las soluciones sólidas binarias presentan cambios de pendiente en sus curvas de enfriamiento en las líneas de liquidus y solidus, para composiciones 80% Cu - 20% Ni ; 50% Cu - 50% Ni y 20% Cu - 80% Ni

Para mayor exactitud en la construcción del diagrama de fase Cu - Ni se pueden calcular más curvas de enfriamiento para aleaciones con composiciones intermedias.

Diagrama de Equilibro Cu – NI

b) Sistemas de Aleaciones Eutécticas Binarias: Este tipo de aleaciones binarias pueden ser:

• Completamente solubles en estado líquido y parcialmente soluble en estado sólido.

• Completamente solubles en estado líquido e insoluble en estado sólido.

Refiriéndonos al caso antes mencionado, muchos sistemas de aleaciones binarias tienen componentes que presentan solubilidad en estado sólido limitado, como por ejemplo el sistema: Pb-Sn que se presenta en la Fig. Las regiones de restricción de solubilidad en cada extremo del diagrama Pb - Sn se designa con las fases y , y se conocen como soluciones sólidas terminales, ya que aparecen en los extremos del diagrama. La fase es una solución rica en Pb, y puede disolver en forma de solución sólida un máximo de 19.2 % de peso, a 183 °C. La fase es una solución rica en Sn y puede disolver un máximo de 2.5 % en Pb a 183 °C . A medida que la temperatura disminuye por debajo de 183 °C, la solubilidad máxima en estado sólido de los elementos solutos disminuye según la línea solvus del diagrama de fases Pb – Sn.

En sistemas binarios eutécticos simples como el caso de Pb – Sn, hay una aleación específica conocida como la composición eutéctica, que solidifica a una temperatura más baja que todas las demás. Esta temperatura es la llamada temperatura eutéctica.

En el sistema Pb – Sn, la composición eutéctica (61.9 % Sn y 38.1 Pb) y a la temperatura eutéctica (183 °C) determinan un punto sobre el diagrama de fases llamado punto eutéctico. La única fase líquida existente se transforma simultáneamente en dos formas sólidas (soluciones sólidas y ). Esta transformación es conocida como reacción eutéctica y se escribe:

Temperatura

Eutéctica

Líquido solución sólida + solución sólida

Enfriamiento

Diagrama de Equilibrio Al - Zn

ANÁLISIS DEL DIAGRAMA Al - Zn:

La fase es una solución rica en Pb y la fase es una solución rica en Sn. A continuación se presentan ejemplos para poder entender mejor el diagrama de plomo – estaño y las fases que en ella se encuentran.

Aleación Eutéctica (95% Zn – 5% Al)

La reacción eutéctica ocurre a 382° C:

Líquido (95 % L) (82 % Zn) + (99 % Zn)

Para calcular el porcentaje de cada fase en la reacción eutéctica aplicamos la regla de la palanca:

Aleación Hipoeutéctica 1: (30% Zn – 70% Al)

Sea el

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