Control de Las Variables Metalúrgicas Durante La Preparacion, Fusión y El Colado de Aleaciones de...

8/17/2019 Control de Las Variables Metalúrgicas Durante La Preparacion, Fusión y El Colado de Aleaciones de Cobre.

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CONTROL DE LAS VARIABLES METALÚRGICAS DURANTE LA PREPARACION,FUSIÓN Y EL COLADO DE ALEACIONES DE COBRE.

Dr Ernesto G Maffia ([email protected] )PROINTEC Departamento de Me!ani!a de la "a!ultad de Ingenier#a de $ni%ersidad de

&a Plata ($N&P) ' rgentina

1- INTRODUCCIÓN

A pesar de la gran cantidad de información disponible en lo concerniente al proceso de fusión del

Cobre y sus aleaciones, la misma se encuentra dispersa y no existe actualmente un libro de texto

que sea lo suficientemente detallado y se refiera específicamente a los aspectos metalúrgicos de

los procesos de fundición del Cobre y sus aleaciones, teniendo en cuenta la gran variedad de

aleaciones de Cobre demandadas hoy en día por los mercados.

En los últimos aos se han aclarado las cuestiones operacionales fundamentales en lo querespecta a los procesos de fundición del cobre y sus aleaciones, actualmente se conoce claramente

que acciones tales como limpie!a de la carga, desgasificación del metal líquido "con escorias

oxidantes, o purgado con #itrógeno$ y desoxidación "con %ósforo o &itio$ deben ser estrictamente

cumplidas, si se desea obtener un producto final libre de defectos.

Cuando se habla de 'Control del metal liquido(, este t)rmino engloba no solo el control de horno

sino tambi)n de la atmósfera del horno* este control tiene como ob+etivo producir un bao líquido

de buena calidad para tener finalmente pie!as sanas y sin defectos.

A pesar que este control es simple, suele recibir poca atención de parte de los fabricantes de

aleaciones de Cobre, posiblemente por creer que otra variables del proceso son de mayorimportancia

na buena pr-ctica de fusión incluye una gran rapide! en llevar el metal líquido al molde para

minimi!ar la contaminación atmosf)rica y la volatili!ación de elementos aleantes "como por

e+emplo el n$.

Este traba+o apunta a resaltar algunas premisas b-sicas a tener en cuenta durante la operación de

fusión de las aleaciones de Cobre, principalmente aquellas cuestiones relacionadas con la

química del bao líquido y los gases disueltos en el mismo, para obtener pie!as de alta calidad.

2- CONTROL QUIMICO

/i se pudiese excluir temporariamente a los gases disueltos en el bao liquido como elementos

químicos a ser controlados, el problema se reduciría solamente a dos puntos esenciales0 los

materiales de la carga sólida y las p)rdidas en el metal líquido.

1ara lograr un proceso de fusión controlado y limpio es necesario controlar los materiales que

ingresan en la carga. Adicionalmente a este concepto, si se desea obtener una pie!a final de buena

calidad, se depender- siempre del costo de los materiales y de nivel de disponibilidad en el

mercado. 2odas estas variables deben ser consideradas en el momento de formar la carga.

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mailto:[email protected]:[email protected]


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/i bien el uso de un material de alta pure!a en la carga garanti!a un control ideal de la química

del bao liquido, muchas veces su alto costo no +ustifica su uso. En el otro extremo, siempre

hablando de costos, se encuentra el uso de scrap. El hecho de reali!ar cargas con un 3445 de

scrap nos lleva al riesgo de incorporar elementos nocivos o indeseables para las propiedades

mec-nicas finales, por otra parte su uso presenta la venta+a de su economía y se recomienda en

aquellas fusiones donde se tiene acceso a un an-lisis químico del metal liquido, previo a lacolada, lo cual permite modificar, si fuese necesario, la composición química del liquido antes de

colar.

1or lo tanto, la pr-ctica usual en las f-bricas de materiales no ferrosos es usar una porción de

scrap en la carga, el cual debería tener una composición química conocida y eso implica tener un

proveedor confiable.

En el caso de utili!ación de retornos, como ser ba+adas de colada, montantes o canales de

alimentación, cada fundición genera una apreciable cantidad de ellos, adem-s de los materiales

provenientes de las operaciones de maquinado. 1or esa ra!ón, es pr-ctica usual absorber estos

materiales en los procesos de fusión y este uso minimi!a las incerte!as en la composición química final, por ser un material de composición química conocida. Como observación a tener en cuenta,

siempre se debe notar que estos retornos pueden ser vehículos de impure!as tales como restos de

fluidos de corte, residuos de desoxidantes o restos de manguitos exot)rmicos, los cuales, de no ser

eliminados, podrían generar defectos en la pie!a final. 6 otra observación no menos importante

radica en la practica de identificación de los retornos, con la finalidad de evitar problemas de

composición si se me!claran los retornos.

%inalmente, siempre se agregan pequeas cantidades de agentes especiales antes de la colada,

como ser desgasificantes o refinadores de grano, los cuales pueden generar p)rdidas líquidas y, a

pesar de que las cantidades son usualmente pequeas, sus efectos sobre la integridad de la pie!a

final ser-n evidentes.

&as llamadas p)rdidas líquidas tienen su causa m-s común en la formación de escorias debido a

la reacción con la atmósfera, refractarios del horno o cuchara, o tambi)n p)rdidas por

evaporación de elementos de ba+o puntos de fusión.

En lo referente a la formación de escorias, estas son generadas por la reacción entre el bao

líquido y la atmósfera del horno. sualmente es preferible excluir la atmósfera, pero debido a que

las fusiones ba+o vacío son muy costosas, deben aumentarse los recaudado para hacer frente a

esta situación. Como e+emplo puede mencionarse que los productos de combustión del horno

contienen una gran cantidad de vapor de agua y este podría reaccionar con la superficie del bao

líquido formando escoria. Aunque el uso de hornos a inducción no genera escorias, siempre existeuna gran agitación magn)tica y esto podría ser una desventa+a en los días húmedos debido a la

posible generación de escorias.

&a experiencia de muchos aos de traba+o indica que para minimi!ar las p)rdidas por escorias, se

debe traba+ar con una temperaturas de bao liquido lo m-s ba+a posible, lo cual tiene como

resultado una menor velocidad de reacción química, y todo esto trae como consecuencia una

menor producción de escoria. 2ambi)n el uso de ba+os tiempos de mantenimiento del bao líquido

a alta temperatura produce menos escoria, debido al mismo efecto cin)tico. 1ara minimi!ar la

formación de escorias es necesario el uso de materiales refractarios que no reaccionen con el

liquido y los m-s adecuaos son aquellos fabricado con Carburo de /ilicio "/iC$.

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El uso de fundentes es otra manera de minimi!ar la formación de escorias. Es muy usual el uso de

Carbón como e+emplo de fundente, pero su aplicación en las aleaciones de Cu7#i usadas para

co+inetes no es aconse+able, debido a la alta solubilidad en Cu liquido. 8ebe anali!arse

cuidadosamente la incorporación de fundentes ya que estos podrían ser muy reactivos y

reaccionar con el material del crisol o los refractarios del horno o cuchara, o con los materiales

del molde.

En resumen, podemos concluir que la formación de escorias y p)rdidas de metal liquido a trav)s

de la formación de escorias, se minimi!a traba+ando a la menor temperatura posible, con menores

tiempos de mantenimiento a altas temperaturas, usando crisoles inertes y aplicando fundentes al

bao liquido.

#o debe de+ar de mencionarse las p)rdidas de metal por vapori!ación, las cuales son disminuidas

con los mismos paliativos utili!ados para minimi!ar las p)rdidas por escorias. n aspecto

ambiental importante es que la vapori!ación trae apare+ado la disminución de la calidad del aire

en el ambiente de traba+o, traduci)ndose todo esto en riesgos para la salud de los operarios. 2odo

esto nos lleva a concluir que un importante componente en los procesos de fusión de lasaleaciones de Cu son los sistemas de ventilación, los cuales hoy en día son una parte importante

en cualquier f-brica que traba+e dentro del marco legal de las leyes ambientales.

3- PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA SOLUBILIDAD DE LOS GASES EN LASALEACIONES DE COBRE

En el mane+o corriente en las fundiciones de metales no ferrosos, existe la creencia que la

mayoría de los problemas relacionados con gases van y vienen sin ra!ón aparente. Actualmente se

conocen los principios físicos y químicos que gobiernan la solubilidad de estos gases, como asítambi)n su remoción.

8entro del campo de las creencias, los gases son vistos siempre como nocivos para la sanidad de

la pie!a final, pero muchas veces son necesarios para lograr un material final de óptima calidad.

Como e+emplos de gases usados en forma ben)fica, se pueden citar el de los gases empleados

para disminuir las contracciones del metal líquido o aquellos gases inertes usados para remover

gases nocivos, tal es el caso del purgado de las aleaciones de Cu7#i con #itrógeno.

&a dispersión de la contracción por medio de gases se usa exitosamente para producir una

porosidad fina y discontinua, dando como resultado final un material no poroso, con una buena

calidad superficial. /u aplicación ha sido exitosa en la fabricación de moldes permanentes, dondees difícil de mantener la alimentación de formas intricadas.

/e pueden definir dos tipos de gases diferentes como nocivos para la integridad de las aleaciones

fundidas base Cobre0 "a$ gases simples, como ser hidrogeno, y "b$ gases comple+os, como ser

vapor de agua.

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3.1- GASES SIMPLES

na gran parte de las aleaciones de Cobre exhiben una tendencia muy fuerte a absorber gases,

durante la fusión y el colado."9$.

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El gas con mayor solubilidad en el Cobre líquido es el :idrógeno ": ; $. 8el mismo modo que en

Aluminio "Al$, este gas presenta ba+a solubilidad en estado sólido lo que hace que durante la

solidificación sea reyectado del liquido donde se combina para dar : ; y formar una burbu+a lo

cual se manifiesta en el sólido como un poro.

1or lo tanto, se impone su remoción antes de la solidificación del material, para evitar losdefectos perniciosos sobre la pie!a.

&as fuentes de : ; son las mismas que para el Aluminio, y pueden resumirse, en la siguiente lista0

Atmósfera del horno0 cuando se trata este material en hornos calentados a hidrocarburos,

se genera : ; libre, debido a la combustión incompleta.

eacción metal7molde0 si el flu+o de metal es excesivamente turbulento, este podría aspirar

aire hacia adentro del molde. 1or otro lado, el exceso de humedad de la arena o del molde

tambi)n es una fuente de : ;.

En el gr-fico de la figura.3, se presenta la solubilidad del hidrógeno en Cu puro, Estao y

aleaciones de Estao7Cobre. /e puede observar que cuanto mayor es la temperatura de traba+o,

mayor ser- la solubilidad del gas en estado líquido. Esto significa que si el metal se cuela a altas

temperaturas, habr- una mayor posibilidad de obtener un material con altos contenidos de gases.

El grafico nos muestra tambi)n que la solubilidad del hidrogeno en el Cu puro es mayor que en el

sólido "aproximadamente ?,?cc versus ;cc@344 gramos de liquido$.

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Figura 1. Solubilidad del hidrógeno en Cobre puro, Estaño, Aleaciones de Cobre-Estaño apresión atmosférica (5)

8urante la solidificación, el sólido que va siendo formado expulsa el : ; hacia el liquido

remanente, debido a su ba+a solubilidad. Entonces, una ve! que el líquido presenta una presión

parcial lo suficientemente alta, producir- la rotura del liquido y se formara un poro de gas.

na característica importante que nos muestra el gr-fico de la %igura.3 es aquella que nos dice

que la solubilidad del hidrogeno disminuye cuando aumenta la cantidad de aleantes. /e observa

que en la medida que se aumenta la cantidad de estao en la aleación, disminuye la cantidad de

hidrógeno en el líquido.

Es observable tambi)n la naturale!a de la curva de solubilidad de gas. 1or e+emplo, el Cu puro

libera el : ; disuelto en solución líquida a una única temperatura, la cual es la temperatura de solidificación. En cambio, en una aleación, la expulsión del : ; estar- indicada por el rango de

temperaturas entre las líneas de liquidus y solidus.

/i el problema del control del gas en las aleaciones de Cu fuese solo debido a la presencia de

hidrogeno, todo esto seria muy simple. 8esafortunadamente no sucede así sino que tambi)n hay

interacción de otras especies gaseosas disueltas en el bao liquido de Cu, las cuales pueden

tratarse como gases comple+os. Estos gases son C, C; y : ;.

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H 2

/ 1 0 0 g r s

d e m e t a l

ml


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3.2- GASES COMPLEJOS

En la mayoría de los procesos de fusión de las aleaciones base Cobre, el gas m-s importante es el

vapor de agua. Esto no significa que el agua este disuelta en el sólido, sino que tanto el hidrogeno

como el oxigeno est-n presentes en forma atómica. 1or lo cual, durante la solidificación, estos

gases disueltos se combinan para formar vapor de agua, dando como resultado porosidad gaseosa, siempre y cuando la presión del gas supere 3 atmósfera.

/i bien en ausencia de hidrógeno, el oxigeno no causa mayores inconvenientes debido a que

presenta ba+a solubilidad en el Cobre sólido "contenidos de oxígeno B4,4357%igura. 97$, por

otro lado, este forma una fase liquida completamente miscible con el Cu. Cuando el contenido de

oxígeno supera el 4,435, durante la solidificación, este forma óxido cuproso"Cu;$ a partir de

una reacción eutectica"%igura. 97$. 8e este modo, durante la solidificación de la aleación se

combinar- el óxido cuproso con el hidrógeno resultando en la reacción de vapor de agua, lo cual

promover- poros en el material fundido. En la %otomicrografia de la %igura.9A, se observan los

poros que resultan de la formación de vapor de agua en los limites de grano de una aleación

CuCr#i/i, en condición 'como colada(.&a desoxidación del bao líquido, previene esta reacción, pero un alto contenido de hidrogeno, causara porosidad gaseosa si no es removido antes de la

solidificación.

igura!"!- A) Aleación CuCr#iSi en condición$como colada$,(magnificación %5&&)! Se

obser'a el resultado de la reacción de 'apor de agua! ) iagrama de e*uilibrio Cu-+ (5)

/e puede evitar la reacción de vapor de agua, eliminando el hidrógeno, por procesos de

desgasificación, o el oxigeno, por procesos de desoxidación del bao liquido.

A pesar de las precauciones, siempre incorporar- algo de oxígeno al bao liquido, por lo que es

necesario utili!ar un en)rgico proceso de eliminación de gases. Como precaución, se debe

mencionar que cualquier producto desoxidante y@o desgasificante se debe separar f-cilmente del

metal líquido e incorporarse a la escoria.

En la figura D se muestra la interacción entre oxígeno e hidrogeno a la temperatura de 349FC.

6

A


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igura ! -E*uilibrio entre el 'apor de agua el Cobre li*uido a .&/"0C (5)

En la figura anterior, se representa el porcenta+e de oxígeno en función del contenido de equilibrio

de hidrógeno para diferentes presiones del sistema, expresadas en milímetros de mercurio.

>ecordar que GH4mm de :g corresponden a una atmósfera de presión. A partir de esto, se puede

establecer para un contenido determinado de oxigeno y la presión del sistema " sí es un horno de

crisol, la presión ser- GH4mm de :g, o sea la presión atmosf)rica$, el correspondiente valor de

equilibrio de hidrógeno.

Es decir que, producida la desoxidación del bao, el hidrógeno resultante promover- porosidad

por si mismo, y si no se reali!a el proceso de desoxidación el resultado ser- presencia de

porosidad debida a la formación de vapor de agua. En consecuencia, no basta con eliminar el

oxigeno sino que resulta imprescindible eliminar tambi)n el hidrógeno.

4- REMOCION DEL GAS

&a remoción de los gases disueltos en las aleaciones base Cobre se lleva a cabo por medio de dost)cnicas usuales0 procesos mec-nicos y procesos químicos.

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4.1- PROCESOS MECÁNICOS

Esta t)cnica se basa en el principio del equilibrio termodin-mico que dice que el líquido tiende a

alcan!ar el equilibrio con su entorno. 1or e+emplo, la absorción de gases producidos en hornos

calentados a combustibles líquidos o sólidos, es debido a una atmósfera rica en productos de

combustión, esencialmente vapor de agua, dióxido de carbono, monóxido de carbono y un excesode oxígeno. Inversamente, la exposición de un metal liquido a un alto grado de agitación

magn)tica en hornos a inducción puede remover el gas en la medida en que la atmósfera

protectora tenga ba+a concentración de gases tales como vapor de agua, oxigeno e hidrogeno. &a

eliminación de esto gases ser- me+or si las condiciones atmosf)ricas del ambiente de traba+o son

de ba+a humedad.

El m)todo m-s común para eliminar el gas por medios mec-nicos es mediante la inyección de un

gas de purga al bao liquido y este gas debe tener características tales que no reaccione con el

metal liquido.

El principio por el cual se produce el desgasificado es que en el burbu+eo de un gas inerte, la presión parcial de hidrógeno en el liquido tiende a alcan!ar el equilibrio con la presión parcial de

)ste en la burbu+a del gas de purga.

Existen algunas cuestiones a tener en cuenta en el purgado y son las siguientes0

se debe evitar la turbulencia del bao liquido,

en los hornos de forma cilíndrica, la relación altura@diametro debe ser aproximadamente 3,?,

se debe reali!ar a la menor temperatura posible "casi la temperatura de colada$, y

el aire seco es m-s efectivo que el nitrógeno.

Como información adicional, se debe mencionar que la forma de aplicación del #itrógeno o

aire seco se reali!a con una lan!a de grafito con un tapón poroso en uno de los extremos* este

sistema es similar a utili!ado en el desgasificado de las aleaciones de Aluminio.

En la tabla 3 se indican las proporciones de gas de purga a emplear en función de la cantidad de

bao liquido.

Taba !ri"#$a$i%a &ara a !&"ra'i(# )" &urga)! )" a"a'i!#"* ba*" '!br" '!# Ni$r(g"#!. + D$

Ca#$i)a) )" "$a i-ui)! V"!'i)a) )" &urga)!

D? =g ? litros por minuto"durante D minutos$

J4 =g H litros por minuto "durante D minutos$

34 =g H litros por minuto "durante ? minutos$

9H4 =g litros por minuto "durante H minutos$

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tra forma, es el desgasificado por generación de vacío durante la fusión y el colado. /i bien es

una t)cnica muy eficiente tiene como contrapartida el alto costo de los sistemas de generación de

vacío.

4.2- PROCESOS QUIMICOS

Este m)todo tiene como finalidad inducir al gas disuelto a unirse con un agente que tenga mayor

afinidad con ese gas que con el metal liquido. Este comportamiento se puede explicar me+or con

un e+emplo. En la fusión de ronces al Aluminio hay significativas cantidades de oxigeno e

hidrogeno disueltos. /e agregan agentes desoxidantes, los cuales se combinan químicamente con

las especies gaseosas disueltas. 2ales desoxidantes son elementos que contienen 2itanio y

irconio, los cuales forman hidruros y óxidos estables.

&os desgasificantes sólidos se prefieren muchas veces ya que no usan equipamientos adicionales.

na de las desventa+as de este tipo de desgasificante es el alto tenor de residuos sólidos de+adosen los sistemas de alimentación, los cuales se usaran posteriormente como material de carga de

otras fusiones.

Algunos desgasificantes sólidos son usados tambi)n como refinadores de grano, con la me+ora de

las propiedades mec-nicas finales.

/ ATMÓSFERAS PROTECTORAS.

/e puede afirmar sin equivocarse, que la atmósfera sobre el metal líquido es la fuente principal de

: ; y ;. &a atmósfera de los hornos de combustión puede ser controlada y convertida en0

oxidante, neutra o reductora.

A pesar de todo el tiempo transcurrido hasta la fecha, aun no hay consenso entre los fundidores de

Cobre sobre cual es la me+or opción para obtener una fusión con mínimos problemas de absorción

de gases. /e puede determinar si la llama es oxidante o reductora del siguiente modo0 si la llama

es larga, opaca y amarilla entonces es reductora. /i por el contrario, la llama es corta y

transparente, entonces es oxidante.

&a fusión llevada a cabo en una atmósfera oxidante, hace con que se forme y se deposite una gran

cantidad de oxido, a medida que avan!a la fusión, pero la cantidad de : ; disuelto ser- mínima.

1or otro lado, se recomienda no mantener condiciones oxidantes durantes tiempos prolongados, ya que se pierde demasiado metal por oxidación y esto lleva a desme+orar la fluide! y por lo tanto,

la colabilidad de la aleación.

Cuando la fusión es reali!ada ba+o una atmósfera reductora, el :; se disuelve libremente en el

metal líquido. &os fundidores que defienden la fusión ba+o condiciones reductoras, argumentan

que consiguen fundir a muy ba+o costo y con muy pocas p)rdidas de aleantes por oxidación, a

pesar de tener que desgasificar posteriormente. 6a que en el momento de colar, el metal liquido

est- en contacto con el oxígeno del aire "y las condiciones son oxidantes$, se debe minimi!ar el

contenido de :; para evitar la porosidad por formación de vapor en el material solidificado

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0/ BIBLIOGRAFA

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