Aleaciones de cobre, zinc y plomo: defectos comunes en las distintas etapas de producción

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Aleaciones de cobre, zinc y plomo: defectos comunes en las distintas etapas de producción[pic 2]

y métodos de solución

Ahmed MM El-Bahloul1, M. Samuel1, Abdulsalam A. Fadhil2

1Departamento de Ingeniería de Producción y Diseño Mecánico, Universidad de Mansoura, Egipto

2Compañía estatal Al-Shaheed, Irak

Abstracto:Dos tipos de aleaciones de latón con plomo (CuZn40Pb2 y CuZn39Pb3) como varillas extruidas, que se utilizan para producir válvulas de gas presurizado, se produjeron mediante un proceso de colada semicontinua vertical, extrusión en caliente, estirado en frío, forjado en caliente y mecanizado. Se explicó el efecto del elemento plomo en la maquinabilidad de estas aleaciones. Se explicaron los defectos comunes de las varillas de latón con plomo mencionadas, las causas y sus soluciones. Se produjeron muchos defectos durante las etapas de producción de las varillas de latón con plomo, como cavidades, contaminantes no metálicos, agrupamiento de plomo, grietas superficiales y segregación de zinc en el proceso de fundición. Además, aparecieron grietas superficiales, desgarros en caliente y defectos posteriores a través de la extrusión en caliente, grietas en forma de chevron y de composición química en el estirado en frío con estallidos en caliente y solape durante el forjado en caliente. El proceso de mecanizado y los procesos en servicio también estuvieron involucrados en algunos otros defectos. Todos estos defectos se produjeron debido a la falta de cuidado durante las etapas del proceso de fabricación y al uso de parámetros tecnológicos inadecuados y un mal diseño del producto de fundición. Para remediar los defectos mencionados anteriormente, se deben utilizar los parámetros tecnológicos adecuados y mejorados con un diseño de producto óptimo. La revisión técnica actual de todos los tipos de defectos en aleaciones de latón con plomo ha demostrado que estos defectos pueden aparecer y aumentar en aplicaciones posteriores y en etapas de servicio.

Palabras clave:Latón con plomo, fundición, extrusión, forjado en caliente, defectos de procesamiento

Introducción

El cobre y sus aleaciones, como el bronce y el latón, son materiales que se utilizan ampliamente en piezas de fricción de máquinas, como revestimientos de cojinetes, bujes, etc. Propiedades como alta resistencia y ductilidad, resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste, etc. son necesarias para estos materiales. La obtención de tales propiedades es posible mediante la creación de estructuras submicrocristalinas y nanocristalinas en los materiales (Sadykov, 1999).

El principio de fabricación de barras de latón desde el punto de vista de la conformación se basa en el siguiente esquema tecnológico. El latón fundido se vierte en tochos de sección transversal circular con diámetro (D). Los tochos de latón se extruyen en caliente hasta obtener la sección transversal requerida de un círculo, un cuadrado, un hexágono y un perfil. Después de eliminar los óxidos de la superficie, las barras de latón extruidas se estiran en frío (calibran) hasta obtener la dimensión requerida (PERNIS, 2011).

Existen dos grandes categorías de varillas de latón, en cuanto a su uso final y técnica de fabricación del producto final, las varillas de

forja/estampación y las varillas de mecanizado. Las varillas de latón mecanizables se producen mediante extrusión en caliente y embutición y sirven como materia prima para la producción de diversos productos que van desde la decoración hasta la ingeniería mecánica y eléctrica. La producción de las piezas finales se realiza mediante mecanizado de alta velocidad (torneado) de la materia prima, para una máxima productividad, utilizando centros de mecanizado automáticos y CNC. El plomo precipitado en una distribución fina y homogénea, actúa como un componente rompedor de viruta, minimizando la fricción en la interfaz herramienta/pieza de trabajo y perjudicando la ductilidad de la viruta, aumentando, por tanto, la maquinabilidad del material y alargando la vida útil de la herramienta de corte.((2011).El contenido de plomo (Pb) y la dispersión de partículas de Pb jugaron un papel

papel importante en la capacidad de mecanizado del material. El Pb permaneció insoluble en la fase α o β y se distribuyó a lo

largo de los límites de grano actuales (o anteriores). A medida que la distribución de partículas de Pb se hizo más fina (menos de 5 μm) y más homogénea, la acción de rotura de viruta durante los procesos de corte se hizo más fuerte y, por lo tanto, se mejoró la maquinabilidad ((Pantazópoulos, 2002).

Las barras de latón con plomo se utilizan ampliamente en aplicaciones que varían desde la decoración y la arquitectura hasta los sistemas eléctricos/electrónicos y estructurales. Dichos componentes, por ejemplo, tornillos, tuercas, pernos y accesorios, se producen principalmente mediante operaciones de torneado automático (Pantazopoulos, 2008). El contenido de Pb varía entre 2,5 y 3,5 %, lo que permite procesos de mecanizado a alta velocidad con buena superficie (Mannheim, 2009). La solubilidad del plomo en las aleaciones de cobre es muy baja y por eso se encuentra en la microestructura como glóbulos dispersos por todo el material. Actúa como un lubricante disminuyendo el coeficiente de fricción entre la herramienta y el material, creando discontinuidades que promueven la fragmentación de la viruta, reduciendo la fuerza de corte y la tasa de desgaste de la herramienta (Vilarinho, 2005). Generalmente se agregan al latón diferentes elementos de aleación que mejoran la maquinabilidad. El elemento más importante en este contexto es el plomo, que mejora la maquinabilidad con respecto a una excelente rotura de viruta, bajo desgaste de la herramienta y altos parámetros de corte aplicables. Estos aspectos se pueden explicar por dos fenómenos básicos. En primer lugar, la solubilidad del plomo en el latón es muy baja y el plomo se segrega en toda la microestructura, especialmente en el grano.

Por lo tanto, la resistencia al corte se reduce significativamente, lo que da como resultado una muy buena rotura de viruta. En segundo lugar, el plomo presenta una baja temperatura de fusión. Durante el corte, una película de plomo delgada y semifluida reduce la fricción y las fuerzas de corte (Nobel, 2014).

Materiales y métodos

La metodología adoptada para llevar a cabo este trabajo implicó un amplio estudio de aleaciones de cobre-zinc-plomo de dos tipos (CuZn40Pb2 y CuZn39Pb3) como varillas extruidas que se utilizan para producir válvulas de gas presurizado mediante un proceso de forjado en caliente, recorte y luego mecanizado. Las secuencias de producción de varillas de latón con plomo generalmente involucran las etapas de fabricación: - Colada semicontinua vertical → Extrusión en caliente → Limpieza de la superficie (decapado) → Estirado en frío → Enderezado→Alivio de tensiones → Forjado en caliente→Recorte, limpieza y mecanizado.

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