VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia

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1 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia EFECTO DE UN LAMINADO EN CALIENTE EN LA EVOLUCION DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE ALEACIONES BASE COBRE ENDURECIDAS POR DISPERSION Y COMPACTADAS EN CALIENTE. C. Camurri a, M. López a, J. Inostroza a, M. Guzmán a, J.A. Jiménez b a Universidad de Concepción, Departamento de Metalurgia, Casilla 53-C Concepción-Chile b Centro Nacional de Investigaciones Científicas, Departamento Metalurgia Física, Avda. Gregorio del Amo, , Madrid-España RESUMEN Se alearon polvos de cobre de tamaño promedio 140 µm con diferentes compuestos, 2% B 4 C, 2% ZrC, 1% CrB, 2% Cr 3 C 2, 1 y 2% Vol. de ZrB 2, en un molino de bolas de alta energía RETSCH PM, con tiempos de aleado mecánico de 6 y 8 horas bajo atmósfera de argón, con contenedores de acero inoxidable y una razón de carga de bolas de 5 a 1. Como alternativa a la clásica consolidación mediante HIP se utilizó una compactación uniaxial en matriz partida a 650ºC y 90 MPa de presión en atmósfera de argón durante dos horas, obteniéndose un paralelepípedo de 30 x 10 x 10 mm. Posteriormente el compacto se laminó en caliente a 850ºC, con reducciones de área variables entre 10 y 40%. El objetivo del presente trabajo es el de estudiar la evolución de las propiedades mecánicas durante la etapa del laminado en caliente de modo de establecer en que casos esta necesariamente debe efectuarse. Se constata que si la compactación uniaxial es uniforme, el laminado en caliente posterior puede evitarse ya que sólo actúa con un efecto tipo recocido, disminuyendo levemente la dureza y resistencia a la tracción, sin incrementar significativamente la ductilidad del compacto. En cambio, cuando las dureza y densidad de éste son heterogéneas, como consecuencia por ejemplo de una insuficiente lubricación en las paredes de la matriz, la etapa del laminado en caliente se hace necesaria por cuanto homogeniza la densidad de la aleación, mejorando las propiedades mecánicas señaladas. Palabras claves Cobre aleado mecánicamente, compactación, laminado en caliente. 1. INTRODUCCION La necesidad de expandir nuevos usos para el cobre, en donde se requieren elevadas conductividades eléctricas y térmicas, así como buenas resistencia mecánica y dureza, aún a temperaturas elevadas, ha impulsado un gran número de investigaciones en el área del reforzamiento de cobre mediante aleado mecánico, con diferentes elementos aleantes [1-2]. Durante los últimos cinco años en el Departamento de Metalurgia de la Universidad de Concepción se desarrollaron y caracterizaron numerosas aleaciones de cobre endurecidas por dispersión utilizando diferentes compuestos, tales como B 4 C, CrB, ZrB 2, ZrC, Cr 3 C 2 y otros [3-8]. La consolidación de los polvos aleados mecánicamente puede efectuarse mediante diversos procesos tales como compactación uniaxial y posterior sinterización, compactación isostática en frío y sinterización, extrusión en caliente, compactación isostática en caliente (HIP) y otros. Dada la limitación que impone el costo de un equipo HIP, en el Departamento de Metalurgia utilizamos una secuencia de consolidación consistente en un prensado en caliente a 650ºC, seguido de un laminado en caliente a 850ºC. En tal sentido el objetivo del 71

2 Camurri, López, Inostroza, Guzmán y Jiménez presente trabajo es el de estudiar la evolución de las propiedades mecánicas que sufre el compacto como consecuencia del laminado en caliente, de modo de poder establecer en que casos se hace realmente necesario el efectuarlo. Para el efecto se prepararon por aleado mecánico diferentes aleaciones base cobre, las que fueron consolidadas mediante la secuencia indicada, determinándoseles la dureza, resistencia a la tracción y ductilidad luego de la compactación en caliente y al término del proceso (luego del laminado en caliente) 2. PARTE EXPERIMENTAL Polvos de cobre de tamaño medio 140 µm se alearon mecánicamente con diferentes tipos y composiciones de compuestos en un molino de bolas de alta energía Retsch PM 400. Se usaron contenedores de acero inoxidable y tiempos de molienda de 6 u 8 horas. La razón en peso de carga de bolas fue de 5 a 1 y como dispersante se adicionó 1% de estearato de zinc. Mediante una máquina INSTRON los polvos aleados se consolidaron mediante prensado en caliente a 650ºC durante dos horas a 90 MPa bajo atmósfera de argón y utilizando una matriz partida [9]. Con el propósito de disminuir la fricción en las paredes de la matriz se utilizó una mezcla de lubricante compuesta de estearato de zinc y zinc en pasta. Se obtuvo compactos de 30 x 10 mm y 10 mm de altura, los que posteriormente fueron laminados en caliente a 850ºC con reducciones de área entre 10 y 40% utilizando un laminado Joliot y con velocidades de deformación promedio de 5 seg -1. La caracterización mecánica de los compactos, antes y después de los se efectuó mediante ensayos de dureza y de tracción a temperatura ambiente utilizando probetas planas de 10 mm 2 de sección transversal y 10 mm de longitud de referencia L o, traccionadas a una velocidad de deformación de 10-3 seg -1. La tabla 1 muestra las composiciones y características de cada aleación así como las condiciones operacionales utilizadas en su obtención Tabla 1: Composición química, características y condiciones de operación de las aleaciones base cobre utilizadas. Aleación % Vol. reforzante Tiempo molienda (hrs.) Tamaño medio partículas al término aleado Lubricante en matriz partida mecánico (µm) Cu-CrB Abundante Cu-B 4 C Escaso Cu-ZrB Abundante Cu-ZrB Abundante Cu-Zr-C Abundante Cu-Cr 3 Cr Escaso 3. RESULTADOS En trabajos previos [9-11] los resultados obtenidos por difracción de Rx mostraron en los difractogramas que tiempos de molienda entre 6 y 8 horas eran suficientes para lograr una completa dispersión del reforzante en el cobre. En efecto, tiempo mayores a los señalados no producen, mayores variaciones en los pics del cobre. Las micrografías obtenidas de los compactos en todos los casos mostraban ausencia de porosidad, con densidades relativas calculadas mediante el método de Arquímedes entre 90 y 95% y estructuras prácticamente idénticas a las que se obtenían al consolidar mediante HIP. Para mayor detalle referirse a [9-12]. La figura 1 muestra la dureza promedio de los compactos antes de, medida en tres alturas diferentes: zona superior cercana al punzón, zona intermedia o central y zona inferior. 72

3 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos punzón centro inferior Cu-CrB (1%) Cu-B4C (2%) Cu-ZrB2 (1%) Cu-ZrB2 (2%) Cu-ZrC (2%) Cu-Cr3C2 (2%) Fig. 1. Variación de la dureza con la altura de los compactos, antes de. En todos los casos se observa en la zona superior durezas coincidentes, entre 98 y 100 HRb. En aquellos compactos en donde se utilizó una abundante lubricación en la pared del molde, la zona inferior presenta dureza similares a las de la zona superior con diferencias máximas de -4HRb en el caso de la aleación Cu-1%CrB. En cambio en las dos aleaciones en donde se utilizó escaso lubricante, como consecuencia de una mayor fricción en las paredes del molde y de una menor presión y densificación en la zona inferior, ésta presenta mayores diferencias de dureza con respecto a la zona cercana al punzón, con discrepancias máximas de -8HRb en el caso de la aleación Cu-2%B 4 C. Adicionalmente y para el tamaño medio de partículas aquí señalado, no se aprecia una influencia significativa de este en la dureza de las aleaciones compactadas punzón centro inferior Cu-CrB (1%) Cu-B4C (2%) Cu-ZrB2 (1%) Cu-ZrB2 (2%) Cu-ZrC (2%) Cu-Cr3C2 (2%) Figura 2. Variación de la dureza con la altura de los compactos, luego de. La figura 2 muestra la variación de la dureza promedio de los compactos luego del laminado, con la altura. En todos los casos aquí representados la reducción de área es del orden de 20%. Para la totalidad de las aleaciones se observa una disminución de la dureza, como consecuencia del efecto de recocido que induce el laminado a 850ºC. Adicionalmente en aquellos compactos escasamente lubricados, con heterogeneidad de dureza inicial antes del 73

4 Camurri, López, Inostroza, Guzmán y Jiménez laminado, se aprecia el efecto benéfico de este al homogeneizarla. Por ejemplo en la aleación Cu-B 4 C con diferencias de -8HRb antes de, ésta se reduce a -2HRb luego del laminado. En este caso el laminado deforma y densifica preferentemente las zonas de menor dureza, por tener estas menor esfuerzo de fluencia y en consecuencia se obtiene una mejor distribución de durezas final. La figura 3 muestra la comparación entre las durezas de los compactos antes y después de para las dos aleaciones lubricadas escasamente y para la aleación Cu-2%ZrB 2, con dureza inicial homogénea. Se aprecia claramente la disminución de la pendiente de las curvas de dureza como consecuencia del laminado en los dos compuestos inicialmente más heterogéneos punzón centro inferior Cu-ZrB2 (2%) sin Cu-ZrB2 (2%) laminada Cu-Cr3C2 (2%) sin Cu-Cr3C2 (2%) laminada Cu-B4C (2%) sin Cu-B4C (2%) laminada Figura 3. Variación de la dureza con la altura para algunos compactos, antes y después de La tabla 2 muestra algunos resultados de los ensayos de tracción efectuados a probetas compactadas mediante diferentes procesos. Tabla 2. Resultados obtenidos de los ensayos de tracción. σ max (Mpa) Alargamiento a la Aleación Antes de Después de HIP Fractura % Cu-CrB (1%) Cu-B 4 C (2%) Cu-ZrB 2 (1%) Cu-ZrB 2 (2%) Cu-ZrC (2%) Cu-Cr 3 C 2 (2%) ensayos no efectuados. Se observa una pequeña disminución en el esfuerzo máximo luego de a 850ºC como consecuencia del efecto recocido que este induce. El método de compactación propuesto permite obtener propiedades mecánicas al menos iguales a las del HIP, y en algunos casos como las aleaciones Cu-2%Cr 3 C 2 y Cu-2%B 2 C notoriamente superiores. No puede decirse lo mismo en cuanto a la conductividad eléctrica, ya que nuestro método produce texturas de deformación y como consecuencia de ello las propiedades eléctricas resultan algo inferiores a las obtenidas mediante HIP [12]. Interesante es el notar las bajas ductilidades obtenidas en todos los casos (los ensayos fueron válidos, con fracturas en la zona de referencia y alejadas de las mordazas). Ello es 74

5 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos atribuible a una estructura heterogénea luego del compactado, con dos fases, una prácticamente cobre puro y la otra conteniendo cobre y el reforzante disperso, originadas posiblemente por un tamaño inicial de partículas demasiado grande [12]. 4. CONCLUSIONES El método de compactación propuesto densifica en buena forma, con resultados mecánicos al menos comparables a los de HIP. La etapa de la laminación en caliente produce una disminución de las propiedades mecánicas como consecuencia de la recristalización dinámica que en ella se induce. En consecuencia, para compactos homogéneos en dureza luego del prensado a 650ºC por dos horas a 90 MPa, el laminado posterior puede evitarse. En cambio si no se logran durezas homogéneas en esa primera etapa, como consecuencia por ejemplo de una inadecuada lubricación en las paredes de la matriz, la etapa del laminado a 850ºC se hace necesaria por cuanto en ella se homogenizan la densidad y la dureza. 5. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Comisión Nacional de Investigación en Ciencia y Tecnología de Chile (CONICYT) por proporcionar el aporte financiero para la realización del trabajo, bajo el Proyecto Fondecyt Nº Asimismo a los Laboratorios del CENIM por la realización de compactaciones mediante HIP. 6. REFERENCIAS 1. J. Hirschhorn, Introduction to powder metallurgy, American Powder Institute, R. German, Powder metallurgy science, Pennsylvania State University, V. Vergara, M. López, R. Benavente, C. Camuri. Dispersion strengthened copper made by mechanical alloying with ceramic powders. PM 98 Powder Metallurgy world Congress and Exhibition, Granada, España. Vol. 1, , M. López, V. Vergara, R. Benavente, B. Cartes. Structure and properties of copper mechanically alloyed with ceramic powders. Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, 1, I-141, V. Vergara, M. López, C. Camurri, B. Cartes. Attainment and characterization of copper alloys by mechanical milling using chromium compounds, Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, 1, I-151, V. Vergara, M. López C. Camurri, B. Cartes, J. Jiménez. Application of mechanical alloying processing to the formation of copper-carbide alloys. Copper'99 Phoenix, Usa, , M. López, V. Vergara, C. Camurri, J. Jiménez. Copper-CrB composites prepared by mechanical alloying and hot isostatic pressing, Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, M. López, V. Vergara, C. Camurri, J. Jiménez. Preliminary evaluation of dispersion strengthened Copper-B 4 C alloy, Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, J. Inostroza. Desarrollo de aleaciones de base cobre endurecidos por dispersión de cerámicos y consolidadas mediante compactación en caliente y posterior laminación, Universidad de Concepción, Ch. Jara. Desarrollo de aleaciones de base cobre endurecidas por aleado mecánico mediante dispersión de carburo, Universidad de Concepción, M. Guzmán. Desarrollo de aleaciones cobre-bromuros para uso eléctrico, Universidad de Concepción, C. Camurri, M. López, V. Vergara, J. Inostroza, J. Jiménez. Copper Cu-B 4 C composites prepared by mechanical alloying and hot pressing and rolling or hot isostatic pressing. PM 2001 European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy, Niza, Francia,