1) El estudio evalúa el uso de tres refinadores de grano en una aleación CuAgZr para mejorar su microestructura. 2) Los resultados más prometedores se obtuvieron con el Refinador B, el cual redujo significativamente el tamaño de grano al aumentar su porcentaje. 3) La reducción del tamaño de grano mejoró la respuesta de la aleación a tratamientos térmicos, requiriendo menos tiempo para alcanzar la máxima dureza.

1. Estudio de Refinadores de Grano en
Aleaciones CuAgZr
JuanPedroCicchetti,FernandoRuizDíaz,ErnestoGustavoMaffía.
Departamentode Mecánica,UniversidadNacional de LaPlata,
Introducción
Los refinadorespuedenserutilizadosenestasaleaciones especialesCu-Ag-Zrpararefinarla
microestructura.
Parte Experimental
Se utilizaron materiasprimas puras parala fusiónde laaleaciónCuAgZr.La fusiónfue realizada en
un horno a inducción de “tipo coreless” de baja frecuencia alojando el metal líquido en un crisol
extraíble de carburo de silicio. Como elemento protector del baño líquido se utilizó grafito seco
mezclado con carbón vegetal. Los tamaños de las fusiones siempre fueron de 8 kg.
El desarrollodel procesode fabricaciónde la aleación se llevó respetando la siguiente secuencia
de fusión: primero se funde el Cu puro bajo cobertura de carbón vegetal. El paso siguiente fue
reducir el oxido de cobre con Li puro de manera de lograr un baño liquido limpio. A seguir se
introduce la plata (próxima al 3%) y por último se adiciona Zr elemental en una cantidad
levemente superior al 0,05 %. Una vez formada la aleación, se agrega el refinador de grano en
porcentajes variables.
Los refinadoresutilizadosse detallanenlaTablanº1
Refinador Denominación
en este trabajo
Cu (%) Fe (%) Cr (%) Zn (%) Sb (%) Si (%) Zr (%) Al (%) P (%) Ni (%)
Sal Halogenada (origen
Argentina)
Refinador A 2,68 90,99 1,05 4,14 1,14
Aleaciónnº1de Cu-B Refinador B 97,73 0,83 0,61 0,81 0,02
Aleaciónnº2de Cu-B RefinadorC 95,8 0,49 0,1 2,08 0,02 1,15 0,29 0,07
En todos los casos, la temperatura del baño líquido fue mantenida próxima a los 1150 ± 10 ºC al
momentode lacolada.Una vezcoladas todaslas muestras,se analizo la composición química por
medio de un equipo portátil de fluorescencia de rayos X (Bruker S1 – Titán), datos que se
presentan en la tabla nº 2.
Cu Ag Zr Fe Cr

2. 95,7 ± 1 2,7 ± 0,4 0,35 ± 0,06 0,64 ± 0,4 0,05 ± 0,02
En todos los ensayos de fusión, el líquido fue vertido en dos moldes de características bien
diferentes:porunladotenemosunmolde de a) bajavelocidadde enfriamiento (arena) y por otro
lado,un molde b) de altavelocidadde enfriamiento (fundición gris). Los moldes de arena fueron
confeccionados en arena malla AF 60 con gran porcentaje de finos. La resina utilizada fue la tipo
Alkydica.
Ilustración 1. Ilustración 2: interior de los moldes.
Se observa el filtro cerámico en el
canal de bajada.
La primera fusión de CuAgZr se realiza sin refinador con el objetivo de obtener un material de
referencia. Lasmuestrasunavezcoladas son cortadas, preparadas metalográficamente, atacadas
con FeCl3 10 ml, HCl 5 ml y H2O 100 ml.Luego,sonanalizadaspormicroscopíaóptica convencional
con un microscopio metalográfico invertido (Mikoba M410).
Las cantidades de cada unode losrefinadores utilizados se escogen de manera conservativa para
poder disminuir las posibles pérdidas de los mismos por oxidación. Ya que la literatura técnica
recomienda usar 0,05 kg de refinador cada 250 kg de metal a colar para el latón Cu-40 Zn la, esto
nos induce en nuestro caso a usar 2 g en cada fusión de 8 kg. Por lo tanto, para asegurar la
presenciadel refinador,se agregan porcentajesmayoresde refinador,valoresque se muestranen
la tabla nº 3:
1° Fusión 2° Fusión
Refinador A 0,05 0,25
Refinador B 0,25 0,625
Refinador C 0,1 0,25
Para la medición del tamañode grano,se utiliza métodoplanimétricocitoen la norma ASTME112.
Si biense dificultalavisualizaciónde losgranosensutotalidad(debidoalimitacionesenlamínima

3. magnificacióndel microscopioutilizado),se realiza unamediciónaproximada de tamaño de grano
de la siguiente manera;se obtienenimágenesde distintas zonas de la probeta, teniendo cuidado
de que cada zonade cada imagennose superpongaconla zona de otra imagen; se contabilizaron
los granos en cada imagen; luego se divide la cantidad de granos contados por el área total de
todas las imágenes. De esta manera se obtiene un aproximado de la cantidad de granos por
unidadde área.Si losgranos nologranvisualizarse ensu totalidad, se contabilizarán como medio
grano,o 1 grano/2. Si el grano puede visualizarse completamente,esdecirse distinguen todos los
límites que lo rodean, contabilizará como grano entero, o 1 grano. Una vez contabilizada la
cantidad de granos totales= n, se determina el área total en que se realizó dicho conteo,
multiplicandoel númerode imágenesutilizadas“m”por5,8837 mm2
que esel área observada por
el microscopio. La división n/m resulta en un promedio de “x” granos/mm2
. Según la tabla
propuesta por la norma, cada rango de valores de x se corresponde con un número final
normalizado de tamaño de grano ASTM“G” y diámetro medio de grano.
Resultados
A continuación
De los resultados mostrados en el gráfico de la …, puede interpretarse que aquellos materiales
tratados conel refinadorA no evidencianunamodificaciónenel tamaño de grano,incluso cuando
se adicionaron cantidades elevadas de refinador (Líneas Naranja y Bordó con
cuadrados).Probablemente, el hecho de su alta superficie específica y reactividad, hace que al
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
% de refinador
Tamaño
de
grano
ASTM
"G"
Comportamientode los distintos refinadores
Refinador A (arena)
Refinador B (arena)
Refinador C (arena)
Refinador A (lingotera)
Refinador B (lingotera)
Refinador C (lingotera)

4. adicionarlosen %’s altosla agitación del baño producida oxide a las sales, por lo tanto el beneficio
quese obtendría de su mayorcantidad se pierde dada la agitación que produce justamente el que
sea usada en mayor cantidad.
Por otro lado los resultadosmás prometedoras se logran con el refinador B. El gráfico … muestra
que para valores crecientes de porcentaje de refinador de 0,25 % a 0,625%, el tamaño de grano
varían con la misma tendencia. Si observamos el caso de la línea verde (correspondiente a
enfriamiento lento) el tamaño de grano cambia de -3,5 a -0,25 (Diámetros equivalentes de 1,207
mm y 0,38975 mm respectivamente). Por otro lado, cuando utilizamos una alta velocidad de
enfriamiento para la misma cantidad de refinador observamos una significativa disminucióndel
tamañode grano alcanzado,obteniendo tamaños de -3 y 0,5 (Diámetros equivalentes de 1 mm y
0,3015 mm respectivamente).
En las micrografías siguientes puede observarse la microestructura de la aleación CuAgZr en
estado original y aquellas otras tratadas con los refinadores mencionados. En la Figura A se
observaunamicroestructuradendríticaconalta segregaciónygranos muy grandes. Contrasta con
esto los resultados obtenidos en las figuras B y C donde si bien observamos que la estructura
continuósiendodendrítica,lasegregaciónno parece haber disminuido demasiado. Sin embargo,
al disminuirel tamañode granoy ser menorel espaciamientointerdendrítica,lasegregacióntiene
mayor espacio para distribuirse, es decir lo está de una manera más homogénea.

5. Beneficios de la reducciónde tamaño de grano
Según Elwin L. Rooy (X), una estructura de grano fino minimiza los efectos asociados con el
tamaño y distribución de los intermetálicos más comunes en la colabilidad y propiedades. Las
partículas de intermetálicosgrandese insolublesque estánpresentesoque se forman en el rango
de temperaturaentre liquidusysolidusreducenlacapacidad de llenado.Untamañode grano fino
promueve la formación de partículas intermetálicas finas y mejor distribuídas, con la
correspondiente mejorarespecto al llenado. Como la mayoría de esas fases frágiles precipitan al
final del proceso de solidificación, su formación preferencial en los límites de grano afecta
profundamente la resistencia al desgarro en caliente y a las propiedades mecánicas de las
estructuras de grano vasto. Reduciendo la magnitud del efecto del límite de grano, a través del
refinado, las tendencias a la fisuración en caliente de algunas aleaciones de solución sólida
predominantes, como las de las familias 2xx y 5xx, puede ser substancialmente reducidas.
El problema de la porosidad, en el caso en que haya, se encontrará en pequeños y discretos
huecos en las zonas de grano fino. El tamaño de los huecos y rechupes interdendríticos está
FiguraA. AleaciónCuAgZrenfriada
lentamente.Diámetrode grano= 1,8535
±0,07325 mm
FiguraB. AleaciónCuAgZrenfriada
lentamente yconrefinadorde granoB.
Diámetrode grano = 0,38975 ±0,018375
mm
FiguraC. AleaciónCuAgZrenfriada
rápidamente yconrefinadorde granoB.
Diámetrode grano = 0,3015 ±0,012875
mm

6. directamente relacionado con el tamaño de grano. Los antes mencionados efectos de
refinamiento estructural en las características de llenado, minimizan la formación potencial de
grandes cavidades por microrechupes. Por otro lado, cuando la porosidad por hidrógeno está
presente, poros más grandes y dañinos se formarán en el caso de estructuras sin refinar.
La finadistribución de intermetálicos solubles a través de fundiciones refinadas resultan en una
respuesta más veloz y completa a tratamientos térmicos. Por lo que pueden esperarse mejores
propiedades mecánicas luego de dichos tratamientos. Este es un aspecto fundamental,
extrapolable a la aleación base Cu y caso bajo estudio, y de gran importancia por todo lo antes
dicho.
Conclusiones
Los refinadores en cuestión pueden ser utilizados en estas aleaciones especiales Cu-Ag-Zr para
refinar la microestructura. Para una misma condición de materia prima y refinador, siempre las
muestrascoladasenmoldesmetálicosmostrarongranos más finos que las coladas en los moldes
de arena. El uso de mayores porcentajes de refinador, sólo arrojó resultados favorables para los
casos de ligasmadresCuB.En el caso de lassalesel usode mayorcantidadprovocabaagitación en
el baño, responsable de la pérdida por oxidación del excedente de sal colocado. La granalla CuB
mostró mejores resultados que el raviol CuB. Esto es debido a que la superficie expuesta en el
primercaso esmayor,permitiendounamayordiluciónde laspartículasen el metal, y por lo tanto
dispersando mejor al B.
La capacidadde refinamientode losrefinadoresesmuchomenor que para las aleaciones para las
que fueronoriginalmentediseñados(Cu-Zn).Estopudohabersidodebidoal nivel de oxidacióndel
baño. Queda a futuro el testeo de los mismos en atmósferas controladas, ya sea bajo vació o en
Argón,para ver si aumentansucapacidadde refinamiento,óel agregadode mayores porcentajes
de refinador hasta descubrir el límite superior.
La disminución del tamaño de grano obtenida arrojó resultados favorables en la respuesta de la
aleaciónatratamientostérmicos;si bienel tiempode solubilizadodebe ser el mismo que cuando
no se usó refinador (60 min), el tiempo de envejecido para lograr el pico de máxima dureza se
obtuvo1 horaantesque cuando no se usó refinador.Esdecir, en la nueva aleación, con 1 hora de
envejecido se lograba la máxima dureza posible en la aleación, mientras que en la aleación sin
refinador el pico máximo se obtuvo a las 2 horas de envejecido.
El tratamiento térmico de solubilizado no afectó el tamaño de grano original de las probetas
fundidas.Respectodel crecimientodeltamañode granoenfuncióndel tiempode envejecido,sólo
se evidenció crecimiento luego de la segunda hora de tratamiento, lo cual no es un resul tado
desfavorableyaque el máximode dureza se obtiene para 1 hora de tratamiento. De esta manera
tampoco se perderían los beneficios del grano refinado en la pieza final en lo que respecta a
tensión de fluencia mayor (Hall-Petch).

7. La conductividadtérmicade laaleaciónnoevidenciócambiosconel usodel refinador,paraiguales
contenidos de Zr.
Bibliografía
Agradecimientos
a mafiapor bancarme