fabricacion de una aleacion para trabajar a altas temperaturas

1. Fusión y Caracterización de CuAgZr
Ernesto Gustavo Maffia (**)
ProInTec – I&D (Investigación y Desarrollo en Procesos Industriales y Servicios
Tecnológicos) Departamento de Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La
Plata, (UNLP), 1900, BA, Argentina
(**) ernesto.maffia@ing.unlp.edu.ar
Palabras claves: CuAgZr, tratamiento térmico, microscopia, propiedades a elevadas
temperaturas
RESUMEN: la aleación CuAgZr es un material que cuenta con una buena
conductividad térmica y elevada resistencia al ablandamiento, la cual es
necesaria para soportar los altos flujos de calor y presiones que se generan en
la cámara de combustión de motores de cohetes aeroespaciales. Además de
estos parámetros, estos materiales deben convivir con combustibles líquidos
(H2, Kerosene, etc), los que generan otros tipos de degradación en el material,
como es la fragilización. Si bien el cobre puro tiene buenas propiedades
térmicas como para cumplir con la evacuación de calor, su resistencia a altas
temperaturas no lo es tanto. Por esto, el diseño de una aleación para este tipo
de aplicaciones requiere de elementos aleantes tales como Cr, Zr, Ag, Nb para
mejorar su resistencia sin afectar considerablemente la conductividad. Hay
distintos intentos en fabricar tales aleaciones, como ser CuZr, CuCr, CuCrZr,
CuNiSiCr, etc. pero una de las aleaciones más importantes, es la CuAgZr.
El siguiente trabajo presenta el estudio de la aleación CuAgZr lograda por
fusión y colada en coquilla, con un tratamiento térmico de envejecimiento. Se
utiliza para el análisis microscopia óptica, ensayos mecánicos (tracción y
dureza). Los resultados preliminares indican que la aleación CuAgZr posee
interesantes propiedades a elevadas temperaturas. , tanto en la condición de
homogeneizada, forjada y envejecida como en la condición “as-cast”
homogeneizada y envejecida
1. INTRODUCCION
La cámara de combustión y la tobera de los lanzadores espaciales deben ser
capaces de disipar el calor producido por el propelente de los motores de
vehículos espaciales (temperaturas alrededor de los 3000 ºC. Es necesario
además, que esta pieza conserve buenas propiedades mecánicas a elevadas
temperaturas para no ver comprometida su integridad estructural. Las
aleaciones base Cobre débilmente aleadas representan un conjunto de
materiales capaces de cumplir estos requisitos. En cuanto el cobre (de
excelente conductividad termo-eléctrica) aleado con ciertos elementos tales

2. como la plata, circonio, cromo, niobio, etc, produce un aumento de las
propiedades mecánicas a través de mecanismos como el endurecimiento por
precipitación, sin demasiadas perdidas conductividad termo-eléctrica.
La aleación CuAgZr, ha sido empleada en estos últimos años en servicios de
alta temperatura con buenos resultados. Tiene un buen desempeño en
ambientes exigentes debido a una combinación de varios efectos: por un lado
hay endurecimiento por solución sólida y endurecimiento por precipitación; por
otro lado, la plata como aleante, produce una interferencia minima en la
conductividad del cobre con lo que se podría incorporar en mayor porcentaje
que otros solutos (alrededor del 3 % en peso) para lograr aumentos aceptables
de las propiedades mecánicas. Por su parte el circonio se cree tiene un mayor
efecto endurecedor, requiriéndose cantidades de un orden de magnitud
menores respecto a la plata (0,05 % - 0,5 % en peso), ya que actúa
principalmente modificando las características del endurecimiento por
precipitación y suprimiendo la precipitación discontinua.
En el presente trabajo se realiza el proceso de fusión de la aleación CuAgZr de
modo convencional, utilizando un horno a crisol calefaccionado por gas natural
con protección del baño líquido. Se caracterizan las distintas aleaciones
obtenidas mediante microscopía óptica, dureza y ensayos de tracción a 25 y
600 ºC para determinar las propiedades mecánicas. Además se realizan
ensayos preliminares de forja para evaluar la trabajabilidad de la aleación sin
homogeneizar.
2. RESULTADOS
FUSION
La aleación se funde en crisoles de grafito y se cuela en moldes metálicos. Se
utiliza cobre y plata de pureza comercial y una liga madre de Cu-10 % Zr. El
proceso de fusión se realiza colocando, inicialmente, el cobre puro y llevándolo
a una temperatura de 1200°C, donde el líquido formado se protege con
fundente para evitar una pérdida excesiva de metal por oxidación. A seguir, se
introduce la plata por medio de una campana de grafito. A posteriori, se
desoxida el baño con Mg a una temperatura de 1200 °C. Es necesario realizar
un control muy preciso de la temperatura, ya que si se sobrecalienta el baño
liquido por encima de los 1270°C, el Mg pierde eficiencia como desoxidante, lo
cual queda explicitado en el diagrama de Ellingham. Otra cuestión importante
que puede deducirse de este diagrama es que el Li no sirve para desoxidar
este tipo de aleaciones, debido a que el Zr resulta ser más ávido por oxígeno
por encima de los 800°C aproximadamente.
Finalmente, con el líquido libre de oxigeno, se introduce la liga madre de Zr y
se procede rápidamente al colado. Este debe desarrollarse en régimen laminar

3. pues la turbulencia genera el ingreso de oxígeno y la pérdida del circonio por
oxidación.
Se realizan varios análisis químicos de los materiales fundidos en diversas
muestras para verificar si hubo merma en el circonio. Se toman medidas de
dureza (PETRI modelo HB 3000B) y se realiza la caracterización
microestructural por medio de microscopia óptica (Mikoba M410) aplicando
técnicas metalográficas convencionales. Se realizan distintos tratamientos
térmicos: una parte de las muestras son homogeneizas a 850 °C por 5 hs,
templadas y otras son solubilizadas a 900°C por 1hr y envejecidas a 450°C
durante 4,5 hrs.
MICROESTRUCTURAS
En la figura 1 se muestra el resultado de la fusión a través de una micrografía
de la aleación CuAgZr. Las muestras fueron atacadas con HNO3 50 % V/V y
observadas con microscopia óptica. Se observa gran cantidad de segundas
fases (color blanco) en borde de grano y en las regiones interdendriticas, lo que
indica la elevada tasa de segregación durante el proceso de solidificación. La
distribución de estas segundas fases es interdendrítica, estructura normal en
aleaciones en condición de cómo colado. Además la micrografía muestra una
gran cantidad segunda fase y granos bastos de aproximadamente 359,2 µm
(ASTM 0).
Figura 1 Estructura de una muestra de la aleación CuAgZr en condición de cómo
colado (50 x).
Al observar la microestructura a mayores aumentos se aprecia la morfología
del precipitado. Este compone una fase blanca, la cual es continua y está
inserta en una matriz que es una solución solida de plata en cobre.
Basándonos en los datos de la bibliografía estas fases están conformadas por
una mezcla de Cu, Ag y Zr en cantidades variables. Según S. Chenna Krishna
et al [1], esta fase continua corresponde a un intermetálico tipo CuAgZr. Estos
autores también informan que debería encontrarse una fase rica en zirconio y

4. una solución solida de plata en cobre formando la matriz; esto último pudo
confirmarse pero no así la presencia de zirconio. Una identificación tan precisa
necesitaría de microscopia electrónica de barrido y transmisión, lo cual no se
hizo en este trabajo. En la matriz se encuentra el resto de la plata disuelto en
solución. El porcentaje de en la matriz Zr debería tender al 0 % ya que la
mayoría de este elemento se encuentra en los precipitados o cómo óxido.
Figura 2 Estructura de una muestra de la aleación CuAgZr en condición de cómo
colado (500 x).
CONFORMADO
Se realizan deformaciones en caliente para evaluar la trabajabilidad de la
aleación. Para esto se forjan diversas muestras a temperaturas de 850 °C y
950 °C mediante forja libre. En la fig.3 se presentan los resultados
microestructurales. La micrografía demuestra que las partículas de segunda
fase han disminuido notablemente su tamaño y han fracturado como
consecuencia del trabajado mecánico y la difusión. Además, el conformado en
caliente logra diseminar cualquier partícula de óxido u impureza que esté
presente aumentando la homogeneidad estructural del material e igualando las
propiedades en toda la muestra. No se observaron fisuras en el desarrollo del
proceso de forja con lo que comprobamos que estamos en presencia de un
material dúctil a las temperaturas utilizadas.

5. Figura 3. Estructura de una muestra de la aleación CuAgZr forjada (100 x).
DUREZA
Sobre las muestras de la aleación en condición de forjado y coladas se realiza
el tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación. Este consiste en
solubilizar las muestras a 900°C por 1hr y después envejecerlas a 450°C
durante 4,5 hrs, enfriando finalmente al aire. Las medidas de dureza se realizan
con 62,5 kg de carga y bolilla de 2,5 mm de diámetro.
En el caso de las muestras en la condición de cómo coladas se obtiene,
aproximadamente alrededor de 105 HB (promedio de 10 mediciones) mientras
que en las muestras envejecidas este valor trepa a los 115 HB. Evidentemente,
el material forjado garantiza una distribución más uniforme de durezas en todo
el volumen de la pieza en comparación a un material fundido que presenta
segregación.
ENSAYOS DE TRACCION
Las propiedades de la deformación de un material se obtienen a través de
ensayos estáticos de tracción y las fracturas resultantes de los ensayos
permiten inferir su naturaleza dúctil o frágil. Se realizan ensayos de tracción en
caliente en una maquina universal “Instron” de 200kN con un horno a
resistencia “Amsler” como sistema de calentamiento. Se evalúa el material en
condición de colado y tratado térmicamente a temperatura ambiente (25 °C) y a
600 °C. Los resultados se presentan en la tabla 1.

6. TABLA 1- Ensayos de tracción de la aleación CuAgZr a diferentes temperaturas
ensayos de laboratorio
Fluencia [MPa] Rotura [MPa] Alargamiento [%]
25°C 205 ± 5 292 ± 5 9
150°C 215 ± 5 273 ± 5 5
600°C 101 ± 5 107 ± 5 7
Datos de la bibliografía ()
Fluencia [MPa] Rotura [MPa] Alargamiento [%]
25°C 292 465 18
150°C 247 392 19
450°C 155 283 17
600°C 100 113 11
La fractura de los ensayos realizados a temperatura ambiente muestran una
superficie de fractura semi dúctil. Esto sucede, probablemente, porque hay una
gran resistencia al deslizamiento debido a la precipitación de partículas
nanométricas de plata en la estructura del cobre, además de una gran
segregación interdendritica, por lo cual la rotura se produce debido al
arrancamiento causado por tensiones normales al prevalecer el endurecimiento
mecánico por sobre el deslizamiento.
Respecto a las muestras ensayadas a 600 °C, los resultados de tracción en
caliente muestran que la tensión de fluencia y la de rotura están en el mismo
orden. A esta temperatura de ensayo el modo de fractura es con muy poca
estricción y se desarrolla una fractura frágil e intergranular, lo cual indica que, la
convivencia entre segundas fases y matriz no da buenos resultados.
3. CONCLUSIONES
El presente trabajo arroja los siguientes resultados:
Las observación micro estructural de muestras coladas de la aleación CuAgZr
muestra un tipo de precipitado continuo en las regiones interdendríticas. Esta
fase se genera durante la rápida solidificación en molde metálico y es
necesaria que sea eliminada para mejorar las propiedades del material antes
de entrar en servicio. La segregación de un aleante es una variable a eliminar
por medio de tratamientos térmicos de homogeneizado y/o conformado (en
caliente mediante forja o laminado). Los ensayos de forja muestran una
disminución de segundas fases, un menor tamaño de grano, partículas de
segundas fases no continuas y distribución más uniforme de las mismas; esta
disposición microestructural sugiere un material de propiedades más
isotropicas.
Se encuentran picos de dureza de 115 HB y 105 HB en las muestras forjadas y
coladas respectivamente lo cual coincide con valores medidos en trabajos de
otros autores.
Los ensayos de tracción (frío y en caliente) de materiales en condición de
colados, muestran valores de resistencia aceptables para microestructuras
segregadas. La tendencia hacia la fractura frágil aumenta con la temperatura,

7. lo cual abre una gran incógnita pues debería ser todo lo contrario. Sin embargo,
las fracturas de carácter frágil después de la estricción, confirman que estos
materiales necesitan solubilidad total de las segundas fases antes de ser
testeadas en cualquier ensayo de relevamiento de propiedades.
4. BIBLIOGRAFIA
• S. Chenna Krishna, K.T.Tharlan, B.Pant, R.V.Kottada. Microstructure
and Mechanical Properties of Cu-Ag-Zr Alloy, Materials and Metallurgy
Group, Vikram Sarabhai Space Centre. 2013.
• A.Gaganov, J. Freudenberger, E. Botcharova, L.Schulz, Effects of
addition on the microstructure and the mechanical and electrical
properties of Cu-7Ag alloys, Materials and Sc Engineering, A 437, (2000)
313-322
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