niquel y sus aleaciones
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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) Probeta de Níquel Puro
2) Probeta de Bronce.
3) Alúmina
4) Algodón
5) Reactivos respectivos para el ataque a los elementos Níquel y Cobre.
6) Equipos.
7) Compresor de aire
8) Pulidora de disco con paño
9) Montadora de muestras
10) Banco de lijas
11) Lijas
12) Discotom
13) Cámara digital
14) 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 Fig.4.- Microestructura de la probeta de níquel a 500X
atacada conNi21 en la cual se observó una superficie monofásica [2] 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,