Plomo, Estaño y sus aleaciones

Transcripción

1 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS ALEACIONES Por Dr. Ing. Ernesto Gustavo Maffia Año 2013 Plomo, Estaño y sus aleaciones

2 1- Introducción El plomo y el estaño son metales de bajo punto de fusión que son a menudo aleados en conjunto. Por ejemplo, son los materiales más utilizados en los sistemas de soldaduras estaño-plomo. El plomo y el estaño también son importantes componentes de aleación en un número de aleaciones ferrosas y no ferrosas. Plomo Es un metal de alta densidad (11.34 g/cm 3 ) con un punto de fusión 327,4 C. Las aplicaciones más significativas del plomo y sus aleaciones se encuentran en las placas de las baterías plomo-ácido, municiones, revestimiento de cables, materiales de construcción de edificios (tales como placas, tuberías, soldaduras, y lana para calafatear). Otras aplicaciones importantes incluyen contrapesos, abrazaderas y demás productos de fundición, tales como: rodamientos, lastre, juntas, y foil (láminas ultrafinas). El plomo en diferentes formas y combinaciones tiene una amplia aplicación como un material para el control de las vibraciones mecánicas y control del sonido. También, es importante como protección contra los rayos x y, en la industria nuclear, los rayos gamma. Además, el plomo se utiliza como elemento de aleación en el acero y en las aleaciones de cobre para mejorar la maquinabilidad y otras características, y se utiliza en aleaciones fusibles (aquellas de bajo punto de fusión) para los sistemas de rociadores contra incendios. Estaño Es un metal blanco, brillante y suave con un punto de fusión de 231,9 C. La aplicación más importante del estaño es en la fabricación de hojalata (lámina de acero recubierta electrolíticamente con estaño). La mayoría de la hojalata producida se utiliza para los envases (latas). El estaño y un número de revestimientos de aleaciones de estaño también son depositados por galvanoplastía e inmersión en caliente sobre una variedad de sustratos. Además de revestimientos, el estaño se utiliza en productos químicos, soldaduras, aleaciones para cojinetes y peltre (una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo, utilizada para cubiertos y vajilla rústica). Grandes cantidades de estaño se utilizan en aleaciones a base de cobre (bronces). El estaño es un potente endurecedor por solución sólida del cobre y también aumenta la resistencia a la corrosión. Además, se utiliza como elemento de aleación en las amalgamas dentales, fundiciones, aleaciones fusibles, aleaciones de titanio, y aleaciones de circonio. El estaño también es un importante elemento de aleación en aleaciones para rejillas de baterías base plomo. El uso de aleaciones ternarias de estaño-calcio-plomo que contienen hasta 1,3% de Pb, reduce sustancialmente formación de gases, y por lo tanto baterías con rejillas hechas de estas aleaciones no requieren adiciones de agua durante su vida en servicio.

3 2 - Elementos de aleación del plomo Dado que el plomo es blando y dúctil, normalmente se lo utiliza comercialmente en forma de aleación de plomo. El Antimonio, estaño, arsénico, y el calcio son los elementos de aleación más comunes, y a veces también se emplea el cobre. La Tabla 1 enumera las composiciones nominales de las diversas aleaciones con base de plomo. Tabla 1- categorías UNS y composiciones nominales de los distintos grados de plomo y aleaciones de plomo-base

4 El antimonio generalmente se utiliza para dar una mayor dureza y resistencia, como en las rejillas de baterías plomo-ácido, en láminas, tubos y piezas de fundición. El contenido de antimonio en las aleaciones plomo-antimonio puede variar de 0,5 a 25%, pero generalmente se encuentran entre un 2 al 5%. En la última década, las aleaciones de plomo-calcio han reemplazado a las aleaciones plomo-antimonio en un gran número de aplicaciones, en particular, en las rejillas de baterías de almacenamiento y en aplicaciones de fundición. Estas aleaciones contienen 0,03 a 0,15% de Ca como endurecedor. Más recientemente, el aluminio ha sido añadido a las aleaciones de calcio-plomo y en las aleaciones de calcio-estaño-plomo como un estabilizador para el calcio. El agregado de estaño al plomo o a las aleaciones de plomo aumenta la dureza y la resistencia. Sin embargo, las aleaciones de plomo-estaño se utilizan con mayor frecuencia como metales para soldadura por sus óptimas características de fusión y mojado (pues disminuye la tensión superficial). El estaño da a la aleación la capacidad de mojar y unir metales tan disímiles como el acero y el cobre, pues el plomo sin alear tiene pobres características de humectación. Estaño combinado con plomo y bismuto o cadmio constituye el ingrediente principal de muchas aleaciones de bajo punto de fusión. Plomo arsenical (UNS L50310) se utiliza para revestimiento de cables. El arsénico es, a menudo, un endurecedor de aleaciones de plomo-antimonio y es esencial para la producción de perdigones. Aleaciones para rejillas de baterías El mayor uso del plomo se da en la fabricación de baterías. Estas baterías consisten en una serie de placas (tipo rejillas) pegadas con una mezcla de óxidos de plomo, sumergidas en ácido sulfúrico diluido. La duración de la vida activa de una batería depende de la resistencia a la corrosión de las rejillas a ciclos de carga y descarga. Las placas positivas de baterías de automóvil se hacen generalmente a partir de aleaciones de plomo-antimonio que contienen 1,5 a 3% de antimonio y otros elementos tal como estaño, arsénico, cobre, azufre, y el selenio. Otras rejillas de baterías automóvil están hechas de aleaciones de plomo-calcio, estaño y aluminio, donde la exacta composición usada varía con el fabricante del producto. La Tabla 2 enumera algunas composiciones típicas de aleaciones de plomo utilizados para baterías.

5 Tabla 2- Composiciones de materiales para placas de baterías plomo-acido Las baterías del automóvil híbridos están hechas de aleaciones con 1 a 2% de Sb-Pb en la rejilla positiva y aleaciones de plomo-calcio (0,04 a 0,15% Ca) para la rejilla negativa. Las aleaciones para placas también pueden incluir 0,1 a 0,8% de Sn (Tabla 2). Además, algunas aleaciones Pb-Ca contienen 0,01 a 0,03% de Al. Las baterías industriales son generalmente hechas a partir de aleaciones que contienen del 5 al 8% Sb y varios otros elementos. Para todas estas aleaciones, baterías de larga duración se requiere un estricto control de las impurezas. Las llamadas baterías estacionarias se fabrican con rejillas de plomo relativamente puro, con un diseño especial; este tipo de batería normalmente contiene plomo-calcio. Aleaciones para cojinetes base-plomo. También se llaman metales antifricción con base de plomo y su composición varía ampliamente. Se pueden clasificar en dos grupos: Las aleaciones de plomo, estaño, antimonio, y, en muchos casos, arsénico Aleaciones de plomo, calcio, estaño, y uno o más de los metales de las tierras alcalinas Muchas aleaciones del primer grupo se han utilizado desde siempre en esta aplicación, a causa de las importantes propiedades antifricción que poseen. Las ventajas de las adiciones de arsénico en este tipo de aleación para cojinetes se han reconocido en general desde Aleaciones del segundo tipo se desarrollaron a principios del siglo XX. En la Tabla 4 se enumeran las composiciones nominales de los materiales para cojinetes baseplomos más utilizados de acuerdo con las normas ASTM, SAE, y las especificaciones ISO.

6 Tabla 3- Composiciones y designaciones de aleaciones para cojinetes En la ausencia de arsénico, las microestructuras de estas aleaciones están formadas por cristales primarios de SbSn (en forma de cuboides) o de antimonio incrustados en una mezcla ternaria de Pb-Sb-SbSn, donde el plomo forma la matriz. El número de estos cuboides por unidad de volumen aleación aumenta a medida que aumenta el contenido de antimonio. Si el contenido de antimonio supera el 15%, la cantidad total de los componentes duros aumenta hasta tal punto que las aleaciones sean demasiado frágiles para ser útiles como materiales de cojinete. El arsénico se agrega a las aleaciones para cojinetes base plomo para mejorar sus propiedades mecánicas, particularmente a elevadas temperaturas. Todas las aleaciones para cojinetes base plomo están sujetas a ablandamiento o pérdida de resistencia durante la exposición prolongada a temperatura (95 a 150 ºC) en motores de combustión interna. La adición de arsénico minimiza tales ablandamientos. En condiciones adecuadas de fundición, las aleaciones para cojinetes base plomo-arsénico, por ejemplo, SAE 15 (ASTM grado 15), desarrollan una muy fina y uniforme microestructura. Ellas también tienen una mejor resistencia a la fatiga que las aleaciones libres de arsénico. Referencias: ASM Handbook volume 2, Properties and selection: Nonferrrous Alloys and Special-Purpose Materials, 10º edition 1991.