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CHARLA
“ANALISIS DE DEFECTOS EN
BARRAS DE LATON EN
PROCESO Y EN SERVICIO”.
Dr. Rodolfo Mannheim
RESUMEN DE DEFECTOS Y FALLAS EN
BARRAS DE LATON Y COMPONENTES
Las barras de aleación de Cu-Zn-Pb sirven como
materia prima para la producción de varios productos,
ordenándolos desde materiales decorativos a
componentes mecánicos/ eléctricos. Partes domesticas,
tiradores de puerta ,manillas de puerta, utensilios de
chimenea, tuercas y tornillos ,fittings para instalaciones
de plomería, partes de precisión para equipamiento
eléctrico/mecánico, y muchos micro-componentes son
solo unos pocos ejemplos de partes que son producidas
de aleaciones de latón. Hay dos tipos de componentes
principales producidos de barras de latón: componentes
mecanizados y componentes forjados.
Las aleaciones C36000 y C38500 son usadas
principalmente para la producción componentes
mecanizados. La composición química de estas
aleaciones son dadas en la norma ASTM B16 y
ASTM B 124 respectivamente. Estas dos
aleaciones contienen plomo a una composición
nominal de 3%. La composición química de la
aleación C37700 usada para forja es dada por
la norma ASTM B 124; el Pb nominal contenido
es de 2%. En la practica, la composición
química nominal de Cu en estas aleaciones
varia aproximadamente entre 58% (C38500 y
C37700) y 61 % (C36000).
Las aleaciones equivalentes con las
composiciones químicas similares que cumplen
con los estándares europeos EN 12164 y
12165/1998 son CW 603N, CW 614 N, y CW
617 N respectivamente. El Pb en estas
aleaciones existe como partículas finamente
dispersas, primariamente ubicadas en los
bordes de grano. Estas partículas actúan
facilitando la fractura de las virutas de
mecanizado, disminuyendo el desgaste de
herramienta, y mejorando la maquinabilidad de
la aleación.
El presente estudio hace una revisión de fallas
en barras de latón durante el proceso de
conformado y durante la producción y uso de
los componentes.
Fallas en proceso.
• La producción de barras de latón generalmente
envuelve los siguientes procesos de
manufactura:
• Fundición: continua, semicontinua y batch
• Extrusión en caliente
• Limpieza de la superficie: p.ej. limpiar con acido
• Trefilado
• Recocido : recocido de alivio de tensiones o
recocido de ablandamiento
• La microestructura de las barras (principalmente
C38500 y C36000) usadas como componentes
de manufactura por operaciones de mecanizado
son típicamente una mezcla de las fases α +
β, como muestra la fig 1. Las fallas primarias
en-proceso son resumidas en el organigrama
que muestra la fig 2. De acuerdo con este
diagrama , hay tres clases de fallas básicas:
• Fallas de colada
• Fallas de Extrusión
• Fallas de trefilado
Figura 1. Microestructura de una barra.
Fallas en Proceso
Fallas de ExtrusiónFallas de Colada Fallas en Trefilado
Contenido de
Impurezas
Grietas de
Arista
Fallas de fisuras
en caliente (grietas,
superficiales,exfoliación)
Defecto de cola
(tubo interno)
Calidades por
Contracción
Grieta
interna
Acciones Correctivas
Mejoramiento del
control de
Impurezas
(p.ej.en materias
Primas)
Mejoramiento de
la velocidad de
colada y velocidad
de enfriamiento
Mejoramiento de
temperatura de
extrusion y
velocidad de
extrusion
Mejoramiento
del descarte(culote) y
Cascara dimensiones y
Limpieza del liner.
Mejoramiento del
Control del
desenrrollamiento,
grado de reducción y
fricción matriz/metal
Mejoramiento
Reducción,
velocidad de
trefilado
o geometría de
la matriz
Determinación de la causa de raíz de cada falla
y revelar las acciones correctivas apropiadas
para prevenir fallas similares en el futuro.
Existen dos causas principales de fallas de
colada:
• Elevado nivel de impurezas, el nivel de
impurezas localizado puede conducir a grietas
de discontinuidades después de la extrusión y
trefilado. Bismuto (Bi) en la aleación puede
conducir a la formación de finas grietas
intergranulares, favorece el fisuramiento en
caliente (hot shortness) , y un efecto adverso en
el trabajo en caliente de la aleación.
Por otra parte, un exceso de antimonio perjudica
el trefilado. Inclusiones en base a sodio (Na)
puede producir discontinuidades en la superficie
y en el interior de barras y tubos de latón. Las
acciones correctivas necesarias para evitar este
conjunto de defectos es establecer el menor
limite posible de impurezas y determinar la
composición química de la materia prima
(chatarra) y/o lingotes del proceso de colada.
 Cavidades producto de contracción o rechupe y
porosidades pueden causar grietas superficiales
e internas y/o fallas que finalmente se producen
en las operaciones de conformado. Una
cuidadosa selección de la velocidad de colada
y razón de enfriamiento son las técnicas viables
para el control y minimización de la contracción
de solidificación y porosidad asociada.
Existen dos principales defectos asociados con
fallas de extrusión:
• Defecto de cola (back defect), el cual aparece
generalmente como cavidad al final de la barra
extrudida, resulta de la combinación del modelo
del flujo de metal y la introducción de óxidos de
la superficie en el interior de la barra. Al
aumentar la fricción contenedor-billet, un efecto
que frecuentemente ocurre en procesos de
extrusión directa, el cual aumenta el flujo de
metal no uniforme, la cual es la principal causa
de la formación de cavidades internas tipo
cañerías (back defect). La fricción retarda el
flujo de la superficie de metal, causando una
diferencia entre la velocidad de flujo de metal en
el centro del billet comparado con la velocidad
de flujo en la superficie.
El modelo de flujo establecido por la diferencia
de velocidades de flujo atrae los óxidos de la
superficie al centro de la barra, y las capas
sucesivas de metal no pueden soldarse. La
ausencia de soldadura causa discontinuidades
y defectos en el centro de la barra
(fig.3).Eliminando un cierto largo del final de la
barra extruída puede eliminarse este tipo de
defectos. Para disminuir lo desperdiciado por la
falla de cola, el largo de la parte removida debe
ser cuidadosamente determinada, el vástago del
contenedor debe mantenerse limpio y/o
frecuentemente lubricado.
Figura 3. Falla de extrusion directa, defecto tipo
cañería.
La remoción de la cáscara del billet (scalping)
durante la extrusión también minimiza el
defecto de cola; un apropiado block “seguidor” ,
con un diámetro ligeramente menor que el
diámetro del contenedor , es usado como
“scalping”. El defecto de cola no es común en
procesos de extrusión indirecta.
• Falla de fisuramiento en caliente (Hot
shortness), se presenta como grieta superficial o
de laminación a lo largo de la extrusión. El
fisuramiento en caliente resulta de un
sobrecalentamiento porque la temperatura del
billet-contenedor se incrementa por roce .
Este aumento en la temperatura incrementa la
temperatura del metal en un punto de una
región localizada de segregación donde puede
fundirse o agrietarse en caliente. El calor
friccional disipado durante la excusión puede
causar fisuramiento en caliente en regiones
parcialmente fundidas cerca de la superficie de
metal. (Fig. 4). La superficie desgarradas y
oxidadas no se sueldan durante las operaciones
de conformado. Las regiones no soldadas nos
conduce a fomentar la delaminación (Fig. 5).
Una disminución de la temperatura y velocidad
de extrusión elimina el fisuramiento en caliente.
Figura 4. Micrografías mostrando grietas de
fisuramiento en caliente de barras.
A) Barra
hexagonal
C38500
B) Barra
cuadrada
C38500.
C) Barra
redonda
C35330.
Figura 5. Micrografías Fisuramiento en caliente que
induce exfoliación, C36000.
A) Micrografía
superficial
B) Detalle de
a).
C) Micrografía
sección
transversal
de b).
Los tipos de defectos asociados a fallas en el
trefilado incluyen las siguientes:
• Agrietamiento de las aristas en barras
poligonales (hexagonales y cuadradas) son
frecuentemente observadas cuando la barra
final es estirada del rollo extruído. Las
operaciones de enrollado y desenrollado
conduce frecuentemente a la formación de
grietas en las aristas de barras cuadradas y
hexagonales (Fig. 6).
Estas grietas pueden servir de sitios de
iniciación de fractura, a la largo, en la barra
tanto en el dado de trefilado como en la
enderezadora de rollos. Una sección
longitudinal del material, muestra la profundidad
de las grietas en la arista, como se muestra en
la Fig. 7.
a) Orilla agrietada.
Figura 6. a) Representación esquemática de orilla
agrietada, barra hexagonal C38500. b)
Estereomicrografia de orilla agrietada. c) Detalle de
b).
Figura 7. Micrografía sección longitudinal
de aleación C38500 en barra
hexagonal, mostrando
propagación de grietas.
Superficie de la barra hexagonal
Dirección de trefilación
Concentración de esfuerzos en las aristas de las
barras es la primera causa de grietas. Al
aumentar el diámetro del rollo se reducen
ambas, los esfuerzos de enrollado y
desenrollado. Adicionalmente, disminuyendo el
trabajo en frío de preenrollado o reduciendo el
área de las barras abastecidas, decrece el
trabajo en frío en las aristas de la barras desde
el principio hasta el final de las aleaciones en -
rolladas.
• Chevron o grietas internas es el resultado de
roce excesivo entre dado-.material y/o una gran
reducción de área durante el trefilado. Una
apropiada lubricación del dado y control de
reducción de la barra entre 10 a 15% puede
eliminar este defecto.
Defectos de producción tales como los descritos
previamente, pueden, si no se detectan,
conducir a fallas en servicio. Control de tales
defectos son importantes en la calidad de las
barras, y, como es el caso de la mayoría de los
sistemas, la calidad del producto de partida
puede trasladarse directamente en la calidad de
la estructura final o componente.
Fallas en Servicio
Por fallas en servicio puede entenderse los
defectos formados durante la producción de
stock de barras y los defectos que se forman
durante la producción y uso de los componentes
de latón. (Para el proveedor de barras de latón,
las fallas en servicio involucra fallas que ocurren
cuando las barras son usadas para
manufacturar componentes, y fallas de los
componentes manufacturados desde las
barras.) .Las principales categorías de fallas en
servicio son delineadas en la Fig. 8 e incluyen:
Fallas en Servicio
Fallas medioambientales
(grietas de corrosión bajo tensión,
corrosión de descincificación)
Fallas de deformación en frío
(ej.grietas de doblado o flexión)
Fallas de conformado en caliente
(p.ej.reventado de forja, pliegue de
Forja)
Acciones Correctivas
Para SCC: mejorar la eliminación
de tensiones residuales, emplear
los procesos de alivio de tensiones
antes de usar. y/o mejorar aspectos
medioambientales de aplicación
después de la manufactura
Para descincificacion: evitar
humedad y agua salina y cualquier
otro ambiente corrosivo o elegir
aleaciones resistentes a la
Descincificacion (ej. latones al
arsénico)
Mejorar las aleaciones para conformado
en frío (elegir una aleación con
elevado contenido de Cu o emplear
recocidos de ablandamiento para
llegar a aleaciones con menos durezas
o mejorar la calidad de la superficie
del material o adaptar su proceso
a las características mecánicas de la
aleación (ej. Mejorar la velocidad de
deformación, emplear procedimiento de
Pasadas-múltiples)
I) Mejorar control de temperatura
de precalentamiento
II) Mejorar composición química de
la aleación (reducción de impurezas)
III) Mejorar flujo de metal (reducir
fricción matriz/trabajo, aumento de
la lubricación y mejora de la rugosidad
de la superficie de la matriz)
IV) Mejorar la geometría de la matriz
V) Mejorar dimensiones de la pieza
VI) Mejorar la velocidad de deformación
• Las fallas inducidas medioambientalmente, tales
como fatiga, corrosión bajo tensión (SCC), y
descincificación.
• Fallas de trefilado o defectos causados por
deformación plástica severa a temperatura
ambiente que pueden acompañar a
componentes de producción.
• Fallas de deformación en caliente o defectos
que resultan durante la manufactura de
componentes, p.ej., forjado.
Existen dos principales causas de fallas
medioambientales en barras de latón: SCC y
descincficación.
La corrosión bajo tensión es generalmente el
resultado de la combinación de medioambiente
y uso y/o tensiones residuales. Esta
usualmente aparece en la forma de grietas
intergranulares (irregular/zigzag) que se
propagan en direcciones transversales o
longitudinales. El nombre más común de este
tipo de fallas es “season cracking “(grietas
intergranulares, grietas que aparecen
espontáneamente al cabo de cierto tiempo por
tensiones interiores) porque fueron
primeramente observadas en cartuchos de latón
almacenados cerca de los establos de los
caballos en India durante la estación de los
monsones.
Esta observación fue la primera evidencia que el
amoniaco causa SCC en latones. Aleaciones de
cobre para fittings expuestas a pequeñas
cantidades de amoniaco ( el sudor de las
manos puede causar grietas en los fittings de
unión de las manillas) puede experimentar
agrietamiento intergranular a lo largo del eje
longitudinal de los componentes (Fig. 9). La
corrosión bajo tensión en latón es debido a tres
razones fundamentales:
Figura 9. Falla SCC. a) Grieta propagada perpendicular al perno de un
componente de latón (Fittings). b) Propagación de la grieta a través del
espesor de la tuerca de latón.
• Tensiones residuales retenidas en el
componente (p.ej. Fittings). Tensiones aplicadas
pueden contribuir a la falla, pero, en muchos
casos la tensión residual es suficiente para
causar la grieta.
• La presencia de un medio especifico SCC, tales
como amoniaco húmedo o urea. (Exposición
del latón a mercurio y/o compuestos
conteniendo mercurio puede causar
agrietamiento, un fenómeno similar a SCC).
• Alcalinidad.
La evaluación de barras de latón susceptibles a
SCC o fragilidad por metales líquidos se
pueden usando técnicas estándares, tales como
ASTM B 154 en solución de nitrato mercurioso y
ASTM B 858 en vapores de amoniaco.
Para minimizar la ocurrencia de SCC, un
recocido de alivio de tensiones puede ser
utilizado después de la etapa de manufacturado.
Los recocidos de alivio de tensiones son usados
entre 250 y 400 ˚C. Si el recocido es hecho en
una atmósfera reductora, la superficie del
componente recocido será brillante y
descolorado por una película de oxido de cobre.
También, durante el ensamblaje de
componentes de latón, debe evitarse el
sobretensionado de los componentes. El
adecuado uso de materiales aislantes (resinas
conteniendo fluor o un equivalente) entre
conexiones minimizara el esfuerzo aplicado y
reduce la tendencia a SCC en fittings. El uso de
cintas aislantes y películas protectoras (tales
como Cr o Ni, etc.) pueden efectivamente
reducir el riesgo de SCC durante su exposición
a un medioambiente que le cause este efecto.
Evidentemente, compuestos de limpieza en
base a amoniaco deben ser evitados en
cualquier componente de latón.
La corrosión por descincficación nos conduce a
una lixiviación selectiva de Zn
(disolución de Zn en ambiente salino y agua)
debido a lo local, casi atomístico, desarrollo
electroquímico (galvanico) entre átomos de Cu y
Zn. El progreso de la reacción da como
resultado la formación de una capa porosa,
rojiza y sin Zn, la cual posee una pobre
adhesión, baja resistencia y ductilidad. El uso de
Sn y As (0.25% máx.) en la aleación inhibe la
corrosión por descinificación, permitiendo un
aumento en la vida del componente.
Las características de la corrosión por
descincficación en latón para fittings (aleación
C 38500) se muestran en la Fig. 10a. Con
propósitos comparativos la profundidad de
descincficación es evaluada también en dos
aleaciones diferentes: un latón simple para
maquinado, C38500, y un latón resistente a la
descincificación, C3530, conteniendo
aproximadamente 0.12 % As. La evaluación se
llevo a cabo por el test estándar ISO 6509:
1995. El resultado del estudio se muestra en las
micrografías ópticas de la Fig. 10b y 10c. La
capa descincficada para fittings de latón simple
fue de 8 a 10 veces más gruesa que la capa de
una aleación resistente a la descincificación.
Figura 10. a) Falla por descincificación. La grieta es favorecida por la
presencia de tensiones residuales.
Las acciones correctivas sugeridas para evitar
la descincficación incluye una mejor selección
de materiales y/o protección del material por
aplicación de películas resistente a la corrosión
(Ni o Cr). Evidentemente, las condiciones
ambientales a que estará expuesto deben ser
consideradas durante el proceso de selección
de materiales.
La principal causa de formación de defectos
(usualmente, fractura de un componente)
durante la deformación en frío es la tensión
excesiva con respecto a la conformabilidad del
material en frío . Un elevado de barras de latón
van a la producción de manufacturados tales
como tiradores y manillas.
Procesos de doblado o curvado en frío están
siempre incluido en los procesos de fabricación
de perillas /manillas. En muchos casos, el
diseño de curvatura excede la capacidad de
deformación del material. Una deformación
excesiva causa fallas similares a las que se
muestran en la Fig11a..Para el mismo ángulo de
doblado y diámetro de barra, el principal criterio
limite de conformado (para el proceso de
doblado., es la razón mínima R/D (donde R es el
radio de doblado, y D el diámetro de la barra).
Figura 11. a) Falla en deformación en frío ( agrietamiento por
doblado) barra redonda C 38500. b) Falla por deformación en
caliente (Explosión de forja) en barra redonda C37700.
.
Esta razón indica la capacidad de doblado del
material y esta directamente relacionada con la
reducción de tensión de área, Z; cuando el
material se hace más dúctil(o blando) ,se
incrementa Z, y disminuye la razón mínima R/D,
donde aumentara la capacidad de doblado.
La razón mínima R/D puede calcularse usando
la siguiente relación (para Z>0.20); una relación
similar es reportada en el Mechanical Metallurgy
G.E. Dieter:
Rmin/ D = (1- Z2)/ (2Z- Z2)
Las siguientes acciones correctivas pueden
hacerse para evitar fallas de conformado Fig 8:
• Primero, si la conformabilidad del material no es
adecuada, debe ser seleccionado un material,
más blando, o más dúctil. Esto generalmente
implica un aumento del contenido de Cu o
modificar el estado del material usando un
recocido de ablandamiento (sobre 430˚C).
 Segundo, si el material tiene una
conformabilidad adecuada pero desarrolla
problemas de conformabilidad cuando esta
inmóvil, en este caso debe examinarse la
calidad superficial de la barra. En tales casos,
evidencias de fallas no sistemáticas sugiere la
presencia de defectos aleatorios en la superficie
de la barra. Estos defectos son típicamente
microgrietas y/o inclusiones que se originan
durante los primeros procesos de manufactura
(principalmente, extrusión y colada) y actúan
como sitios de iniciación de grietas durante el
proceso de conformado.
Las fallas de deformación en caliente aparecen
durante las operaciones de estampado y forjado
en caliente. Muchos fittings de latón son
fabricados por estampado en caliente. Un
ejemplo de reventado en caliente puede ocurrir
en conectores de latón (aleación 37700) como
se muestra en la Fig 11b. Los principales
defectos en estampados/forjados en caliente
son:
• Reventado en caliente (Fig. 12)
• Plegado o discontinuidad en forja en caliente
(Fig. 13)
Figura 12 a) Macrografía de
Billet de latón sección
transversal después de
precalentamiento para
forja. b) Micrografía de de
capa exterior del billet
donde se observa el
crecimiento de grano. c)
Micrografía del centro del
billet, mostrando un
afinamiento del grano. d) y
e) Detalle de los
alrededores de la grieta.
Figura 13 a) Macrografía
de sección
longitudinal de un
componente forjado.
Mostrando las líneas
de flujo y la posición
de generación del
defecto. b)
Micrografía de a)
mostrando una
discontinuidad
completa.
Raíz de la
discontinuidad.
Las principales acciones para minimizar la
apariencia de tales defectos, incluye:
• Primeramente, y la más importante, examinar
las etapas del proceso y parámetros
considerados para la deformación plástica
deseada. Estos parámetros incluyen la aleación
seleccionada, las dimensiones y geometría de la
parte producida, tamaño del billet, temperatura
del proceso, razón de esfuerzo, lubricación
parámetros de la matriz, y otras variables de
fabricación.
• Aumento de la pureza de la aleación, y
minimizar elementos de adición que puedan
producir fisuramiento en caliente (hot
shortness). Elementos de aleación que
favorecen el fisuramiento en caliente incluyen Bi
y Pb.
 Hay que ajustar cuidadosamente la temperatura de
precalentamiento. Un calentamiento excesivo favorece
el fisuramiento en caliente (hot tearing) y un
calentamiento inadecuado puede producir grietas debido
a una insuficiente ductilidad .Un calentamiento
heterogéneo puede producir tensiones térmicas que se
traducen en formación de grietas. La temperatura de
precalentamiento típica esta en el rango entre 650 y
780˚C para la aleación C37700, pero la temperatura y
tiempo de recocido óptima depende del material y de la
cantidad de deformación plástica en caliente requerida
para la fabricación. El control de temperatura y
equipamiento de medida deben ser calibrados
rutinariamente. La fig. 12 muestra una falla de fisura en
caliente inducida por un calentamiento excesivo; por lo
cual se observa un crecimiento de grano excesivo en la
superficie del billet. (compare Fig. 12a y b).
 Reducir la fricción a través del control de la
lubricación. El flujo de metal debe ser suave , y
una lubricación inadecuada o un material rugoso
puede causar turbulencia durante el proceso de
conformado en caliente. La turbulencia puede
causar discontinuidades y pliegues en la parte
conformada. Las impurezas (intrínsicas o
extrínsicas) obstruye la soldadura entre capas y
conduce a la formación de discontinuidades.
(Fig. 13). Análisis químico del material en la
punta de discontinuidades, las impurezas
frecuentemente detectadas, tales como sílice y
carbón, pueden ser la causa de los defectos.
• Mejorar el diseño de la matriz para reducir
ángulos agudos y detalles de formas intrincadas
con el fin de facilitar el flujo de material.
Adicionalmente, los dados o matrices deben ser
propiamente pulidas después de cada ciclo de
producción.
• Asegurar una apropiada velocidad de carga, y
evitar impactos de carga del material durante el
proceso. Golpes en la carga son
frecuentemente responsable por la formación de
fracturas de corte.
Conclusiones
Dos diferentes categorías de fallas pueden
ocurrir en barras de latón y componentes
relacionados, estas son fallas en proceso,
causadas por defectos formados durante la
producción de barras, y fallas en servicio, las
cuales ocurren durante la fabricación de los
componentes y uso.
Control de calidad y las prácticas de
aseguramiento de calidad están dedicados a
prevenir fallas más que inspeccionar y clasificar
los productos defectuosos. Por eso, la
experiencia consolidada y el background en el
campo de procesamiento de materiales son
necesarios de manera de investigar las causas
de raíz de las principales fallas y para explorar
las soluciones óptimas. El uso de ciertas
herramientas, tales como la construcción de
diagramas esquemáticos, ayuda en la
organización del procedimiento de investigación.
Fallas en proceso son originadas en las
principales etapas de producción: colada,
extrusión, y trefilado. Las fallas de colada son
causadas por un contenido elevado de
impurezas y cavidades por contracción
/porosidades formadas durante la solidificación.
Las fallas de extrusión incluyen las fallas de
cola, la cual puede ser prevenida por el ajuste
de las dimensiones de cáscara/descarte y
frecuencia de limpieza del vástago del
contenedor, y grietas de fisuramiento en
caliente, las cuales pueden ser prevenidas por
un control de la temperatura de extrusión y
velocidad de prensado.
Fallas en trefilado, obviamente en frío,
frecuentemente pueden atribuirse a grietas de
arista sen barras poligonales, las cuales se
pueden prevenir por mejoramiento del proceso
de desenrollado y/o disminuir el grado de
reducción, y grietas de chevron (internas), las
cuales pueden ser eliminadas por disminución
de la fricción dado/metal y/o disminuir el grado
de reducción.
Las fallas en servicio incluyen fallas en de
deformación en frío y caliente y fallas inducidas
medioambientalmente.
Las fallas medioambientales incluyen SCC y
corrosión por descincficación. Minimizar las
tensiones residuales por recocido y optimización
de la selección de materiales es la principal
acción correctiva para evitar fallas
medioambientales. Fallas de deformación en
frío son esperadas en los casos donde la
capacidad de conformado de la aleación es
excedida durante el trabajo en frío.
Mejores selecciones de materiales (composición
químico, nivel de recocido) y diseño de proceso
son las principales acciones correctivas para
evitar tales fallas. Fallas de deformación en
caliente incluye reventado en caliente y
pliegues, lo cual puede ser prevenido al limitar
impurezas intrínsecas y extrínsecas y por un
cuidadoso control de los parámetros de proceso
(temperatura, duración de calentamiento,
dimensiones del billet, diseño de la matriz, y
lubricación).
FIN.

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análisis de fallas

  • 1. CHARLA “ANALISIS DE DEFECTOS EN BARRAS DE LATON EN PROCESO Y EN SERVICIO”. Dr. Rodolfo Mannheim
  • 2.
  • 3. RESUMEN DE DEFECTOS Y FALLAS EN BARRAS DE LATON Y COMPONENTES Las barras de aleación de Cu-Zn-Pb sirven como materia prima para la producción de varios productos, ordenándolos desde materiales decorativos a componentes mecánicos/ eléctricos. Partes domesticas, tiradores de puerta ,manillas de puerta, utensilios de chimenea, tuercas y tornillos ,fittings para instalaciones de plomería, partes de precisión para equipamiento eléctrico/mecánico, y muchos micro-componentes son solo unos pocos ejemplos de partes que son producidas de aleaciones de latón. Hay dos tipos de componentes principales producidos de barras de latón: componentes mecanizados y componentes forjados.
  • 4. Las aleaciones C36000 y C38500 son usadas principalmente para la producción componentes mecanizados. La composición química de estas aleaciones son dadas en la norma ASTM B16 y ASTM B 124 respectivamente. Estas dos aleaciones contienen plomo a una composición nominal de 3%. La composición química de la aleación C37700 usada para forja es dada por la norma ASTM B 124; el Pb nominal contenido es de 2%. En la practica, la composición química nominal de Cu en estas aleaciones varia aproximadamente entre 58% (C38500 y C37700) y 61 % (C36000).
  • 5. Las aleaciones equivalentes con las composiciones químicas similares que cumplen con los estándares europeos EN 12164 y 12165/1998 son CW 603N, CW 614 N, y CW 617 N respectivamente. El Pb en estas aleaciones existe como partículas finamente dispersas, primariamente ubicadas en los bordes de grano. Estas partículas actúan facilitando la fractura de las virutas de mecanizado, disminuyendo el desgaste de herramienta, y mejorando la maquinabilidad de la aleación. El presente estudio hace una revisión de fallas en barras de latón durante el proceso de conformado y durante la producción y uso de los componentes.
  • 6. Fallas en proceso. • La producción de barras de latón generalmente envuelve los siguientes procesos de manufactura: • Fundición: continua, semicontinua y batch • Extrusión en caliente • Limpieza de la superficie: p.ej. limpiar con acido • Trefilado • Recocido : recocido de alivio de tensiones o recocido de ablandamiento
  • 7. • La microestructura de las barras (principalmente C38500 y C36000) usadas como componentes de manufactura por operaciones de mecanizado son típicamente una mezcla de las fases α + β, como muestra la fig 1. Las fallas primarias en-proceso son resumidas en el organigrama que muestra la fig 2. De acuerdo con este diagrama , hay tres clases de fallas básicas: • Fallas de colada • Fallas de Extrusión • Fallas de trefilado
  • 9. Fallas en Proceso Fallas de ExtrusiónFallas de Colada Fallas en Trefilado Contenido de Impurezas Grietas de Arista Fallas de fisuras en caliente (grietas, superficiales,exfoliación) Defecto de cola (tubo interno) Calidades por Contracción Grieta interna Acciones Correctivas Mejoramiento del control de Impurezas (p.ej.en materias Primas) Mejoramiento de la velocidad de colada y velocidad de enfriamiento Mejoramiento de temperatura de extrusion y velocidad de extrusion Mejoramiento del descarte(culote) y Cascara dimensiones y Limpieza del liner. Mejoramiento del Control del desenrrollamiento, grado de reducción y fricción matriz/metal Mejoramiento Reducción, velocidad de trefilado o geometría de la matriz
  • 10. Determinación de la causa de raíz de cada falla y revelar las acciones correctivas apropiadas para prevenir fallas similares en el futuro. Existen dos causas principales de fallas de colada: • Elevado nivel de impurezas, el nivel de impurezas localizado puede conducir a grietas de discontinuidades después de la extrusión y trefilado. Bismuto (Bi) en la aleación puede conducir a la formación de finas grietas intergranulares, favorece el fisuramiento en caliente (hot shortness) , y un efecto adverso en el trabajo en caliente de la aleación.
  • 11. Por otra parte, un exceso de antimonio perjudica el trefilado. Inclusiones en base a sodio (Na) puede producir discontinuidades en la superficie y en el interior de barras y tubos de latón. Las acciones correctivas necesarias para evitar este conjunto de defectos es establecer el menor limite posible de impurezas y determinar la composición química de la materia prima (chatarra) y/o lingotes del proceso de colada.
  • 12.  Cavidades producto de contracción o rechupe y porosidades pueden causar grietas superficiales e internas y/o fallas que finalmente se producen en las operaciones de conformado. Una cuidadosa selección de la velocidad de colada y razón de enfriamiento son las técnicas viables para el control y minimización de la contracción de solidificación y porosidad asociada.
  • 13. Existen dos principales defectos asociados con fallas de extrusión: • Defecto de cola (back defect), el cual aparece generalmente como cavidad al final de la barra extrudida, resulta de la combinación del modelo del flujo de metal y la introducción de óxidos de la superficie en el interior de la barra. Al aumentar la fricción contenedor-billet, un efecto que frecuentemente ocurre en procesos de extrusión directa, el cual aumenta el flujo de metal no uniforme, la cual es la principal causa de la formación de cavidades internas tipo cañerías (back defect). La fricción retarda el flujo de la superficie de metal, causando una diferencia entre la velocidad de flujo de metal en el centro del billet comparado con la velocidad de flujo en la superficie.
  • 14. El modelo de flujo establecido por la diferencia de velocidades de flujo atrae los óxidos de la superficie al centro de la barra, y las capas sucesivas de metal no pueden soldarse. La ausencia de soldadura causa discontinuidades y defectos en el centro de la barra (fig.3).Eliminando un cierto largo del final de la barra extruída puede eliminarse este tipo de defectos. Para disminuir lo desperdiciado por la falla de cola, el largo de la parte removida debe ser cuidadosamente determinada, el vástago del contenedor debe mantenerse limpio y/o frecuentemente lubricado.
  • 15. Figura 3. Falla de extrusion directa, defecto tipo cañería.
  • 16. La remoción de la cáscara del billet (scalping) durante la extrusión también minimiza el defecto de cola; un apropiado block “seguidor” , con un diámetro ligeramente menor que el diámetro del contenedor , es usado como “scalping”. El defecto de cola no es común en procesos de extrusión indirecta. • Falla de fisuramiento en caliente (Hot shortness), se presenta como grieta superficial o de laminación a lo largo de la extrusión. El fisuramiento en caliente resulta de un sobrecalentamiento porque la temperatura del billet-contenedor se incrementa por roce .
  • 17. Este aumento en la temperatura incrementa la temperatura del metal en un punto de una región localizada de segregación donde puede fundirse o agrietarse en caliente. El calor friccional disipado durante la excusión puede causar fisuramiento en caliente en regiones parcialmente fundidas cerca de la superficie de metal. (Fig. 4). La superficie desgarradas y oxidadas no se sueldan durante las operaciones de conformado. Las regiones no soldadas nos conduce a fomentar la delaminación (Fig. 5). Una disminución de la temperatura y velocidad de extrusión elimina el fisuramiento en caliente.
  • 18. Figura 4. Micrografías mostrando grietas de fisuramiento en caliente de barras. A) Barra hexagonal C38500 B) Barra cuadrada C38500. C) Barra redonda C35330.
  • 19. Figura 5. Micrografías Fisuramiento en caliente que induce exfoliación, C36000. A) Micrografía superficial B) Detalle de a). C) Micrografía sección transversal de b).
  • 20. Los tipos de defectos asociados a fallas en el trefilado incluyen las siguientes: • Agrietamiento de las aristas en barras poligonales (hexagonales y cuadradas) son frecuentemente observadas cuando la barra final es estirada del rollo extruído. Las operaciones de enrollado y desenrollado conduce frecuentemente a la formación de grietas en las aristas de barras cuadradas y hexagonales (Fig. 6). Estas grietas pueden servir de sitios de iniciación de fractura, a la largo, en la barra tanto en el dado de trefilado como en la enderezadora de rollos. Una sección longitudinal del material, muestra la profundidad de las grietas en la arista, como se muestra en la Fig. 7.
  • 21. a) Orilla agrietada. Figura 6. a) Representación esquemática de orilla agrietada, barra hexagonal C38500. b) Estereomicrografia de orilla agrietada. c) Detalle de b).
  • 22. Figura 7. Micrografía sección longitudinal de aleación C38500 en barra hexagonal, mostrando propagación de grietas. Superficie de la barra hexagonal Dirección de trefilación
  • 23. Concentración de esfuerzos en las aristas de las barras es la primera causa de grietas. Al aumentar el diámetro del rollo se reducen ambas, los esfuerzos de enrollado y desenrollado. Adicionalmente, disminuyendo el trabajo en frío de preenrollado o reduciendo el área de las barras abastecidas, decrece el trabajo en frío en las aristas de la barras desde el principio hasta el final de las aleaciones en - rolladas.
  • 24. • Chevron o grietas internas es el resultado de roce excesivo entre dado-.material y/o una gran reducción de área durante el trefilado. Una apropiada lubricación del dado y control de reducción de la barra entre 10 a 15% puede eliminar este defecto. Defectos de producción tales como los descritos previamente, pueden, si no se detectan, conducir a fallas en servicio. Control de tales defectos son importantes en la calidad de las barras, y, como es el caso de la mayoría de los sistemas, la calidad del producto de partida puede trasladarse directamente en la calidad de la estructura final o componente.
  • 25. Fallas en Servicio Por fallas en servicio puede entenderse los defectos formados durante la producción de stock de barras y los defectos que se forman durante la producción y uso de los componentes de latón. (Para el proveedor de barras de latón, las fallas en servicio involucra fallas que ocurren cuando las barras son usadas para manufacturar componentes, y fallas de los componentes manufacturados desde las barras.) .Las principales categorías de fallas en servicio son delineadas en la Fig. 8 e incluyen:
  • 26. Fallas en Servicio Fallas medioambientales (grietas de corrosión bajo tensión, corrosión de descincificación) Fallas de deformación en frío (ej.grietas de doblado o flexión) Fallas de conformado en caliente (p.ej.reventado de forja, pliegue de Forja) Acciones Correctivas Para SCC: mejorar la eliminación de tensiones residuales, emplear los procesos de alivio de tensiones antes de usar. y/o mejorar aspectos medioambientales de aplicación después de la manufactura Para descincificacion: evitar humedad y agua salina y cualquier otro ambiente corrosivo o elegir aleaciones resistentes a la Descincificacion (ej. latones al arsénico) Mejorar las aleaciones para conformado en frío (elegir una aleación con elevado contenido de Cu o emplear recocidos de ablandamiento para llegar a aleaciones con menos durezas o mejorar la calidad de la superficie del material o adaptar su proceso a las características mecánicas de la aleación (ej. Mejorar la velocidad de deformación, emplear procedimiento de Pasadas-múltiples) I) Mejorar control de temperatura de precalentamiento II) Mejorar composición química de la aleación (reducción de impurezas) III) Mejorar flujo de metal (reducir fricción matriz/trabajo, aumento de la lubricación y mejora de la rugosidad de la superficie de la matriz) IV) Mejorar la geometría de la matriz V) Mejorar dimensiones de la pieza VI) Mejorar la velocidad de deformación
  • 27. • Las fallas inducidas medioambientalmente, tales como fatiga, corrosión bajo tensión (SCC), y descincificación. • Fallas de trefilado o defectos causados por deformación plástica severa a temperatura ambiente que pueden acompañar a componentes de producción. • Fallas de deformación en caliente o defectos que resultan durante la manufactura de componentes, p.ej., forjado.
  • 28. Existen dos principales causas de fallas medioambientales en barras de latón: SCC y descincficación. La corrosión bajo tensión es generalmente el resultado de la combinación de medioambiente y uso y/o tensiones residuales. Esta usualmente aparece en la forma de grietas intergranulares (irregular/zigzag) que se propagan en direcciones transversales o longitudinales. El nombre más común de este tipo de fallas es “season cracking “(grietas intergranulares, grietas que aparecen espontáneamente al cabo de cierto tiempo por tensiones interiores) porque fueron primeramente observadas en cartuchos de latón almacenados cerca de los establos de los caballos en India durante la estación de los monsones.
  • 29. Esta observación fue la primera evidencia que el amoniaco causa SCC en latones. Aleaciones de cobre para fittings expuestas a pequeñas cantidades de amoniaco ( el sudor de las manos puede causar grietas en los fittings de unión de las manillas) puede experimentar agrietamiento intergranular a lo largo del eje longitudinal de los componentes (Fig. 9). La corrosión bajo tensión en latón es debido a tres razones fundamentales:
  • 30. Figura 9. Falla SCC. a) Grieta propagada perpendicular al perno de un componente de latón (Fittings). b) Propagación de la grieta a través del espesor de la tuerca de latón.
  • 31. • Tensiones residuales retenidas en el componente (p.ej. Fittings). Tensiones aplicadas pueden contribuir a la falla, pero, en muchos casos la tensión residual es suficiente para causar la grieta. • La presencia de un medio especifico SCC, tales como amoniaco húmedo o urea. (Exposición del latón a mercurio y/o compuestos conteniendo mercurio puede causar agrietamiento, un fenómeno similar a SCC). • Alcalinidad.
  • 32. La evaluación de barras de latón susceptibles a SCC o fragilidad por metales líquidos se pueden usando técnicas estándares, tales como ASTM B 154 en solución de nitrato mercurioso y ASTM B 858 en vapores de amoniaco. Para minimizar la ocurrencia de SCC, un recocido de alivio de tensiones puede ser utilizado después de la etapa de manufacturado. Los recocidos de alivio de tensiones son usados entre 250 y 400 ˚C. Si el recocido es hecho en una atmósfera reductora, la superficie del componente recocido será brillante y descolorado por una película de oxido de cobre.
  • 33. También, durante el ensamblaje de componentes de latón, debe evitarse el sobretensionado de los componentes. El adecuado uso de materiales aislantes (resinas conteniendo fluor o un equivalente) entre conexiones minimizara el esfuerzo aplicado y reduce la tendencia a SCC en fittings. El uso de cintas aislantes y películas protectoras (tales como Cr o Ni, etc.) pueden efectivamente reducir el riesgo de SCC durante su exposición a un medioambiente que le cause este efecto. Evidentemente, compuestos de limpieza en base a amoniaco deben ser evitados en cualquier componente de latón.
  • 34. La corrosión por descincficación nos conduce a una lixiviación selectiva de Zn (disolución de Zn en ambiente salino y agua) debido a lo local, casi atomístico, desarrollo electroquímico (galvanico) entre átomos de Cu y Zn. El progreso de la reacción da como resultado la formación de una capa porosa, rojiza y sin Zn, la cual posee una pobre adhesión, baja resistencia y ductilidad. El uso de Sn y As (0.25% máx.) en la aleación inhibe la corrosión por descinificación, permitiendo un aumento en la vida del componente.
  • 35. Las características de la corrosión por descincficación en latón para fittings (aleación C 38500) se muestran en la Fig. 10a. Con propósitos comparativos la profundidad de descincficación es evaluada también en dos aleaciones diferentes: un latón simple para maquinado, C38500, y un latón resistente a la descincificación, C3530, conteniendo aproximadamente 0.12 % As. La evaluación se llevo a cabo por el test estándar ISO 6509: 1995. El resultado del estudio se muestra en las micrografías ópticas de la Fig. 10b y 10c. La capa descincficada para fittings de latón simple fue de 8 a 10 veces más gruesa que la capa de una aleación resistente a la descincificación.
  • 36. Figura 10. a) Falla por descincificación. La grieta es favorecida por la presencia de tensiones residuales.
  • 37. Las acciones correctivas sugeridas para evitar la descincficación incluye una mejor selección de materiales y/o protección del material por aplicación de películas resistente a la corrosión (Ni o Cr). Evidentemente, las condiciones ambientales a que estará expuesto deben ser consideradas durante el proceso de selección de materiales. La principal causa de formación de defectos (usualmente, fractura de un componente) durante la deformación en frío es la tensión excesiva con respecto a la conformabilidad del material en frío . Un elevado de barras de latón van a la producción de manufacturados tales como tiradores y manillas.
  • 38. Procesos de doblado o curvado en frío están siempre incluido en los procesos de fabricación de perillas /manillas. En muchos casos, el diseño de curvatura excede la capacidad de deformación del material. Una deformación excesiva causa fallas similares a las que se muestran en la Fig11a..Para el mismo ángulo de doblado y diámetro de barra, el principal criterio limite de conformado (para el proceso de doblado., es la razón mínima R/D (donde R es el radio de doblado, y D el diámetro de la barra).
  • 39. Figura 11. a) Falla en deformación en frío ( agrietamiento por doblado) barra redonda C 38500. b) Falla por deformación en caliente (Explosión de forja) en barra redonda C37700. .
  • 40. Esta razón indica la capacidad de doblado del material y esta directamente relacionada con la reducción de tensión de área, Z; cuando el material se hace más dúctil(o blando) ,se incrementa Z, y disminuye la razón mínima R/D, donde aumentara la capacidad de doblado. La razón mínima R/D puede calcularse usando la siguiente relación (para Z>0.20); una relación similar es reportada en el Mechanical Metallurgy G.E. Dieter: Rmin/ D = (1- Z2)/ (2Z- Z2)
  • 41. Las siguientes acciones correctivas pueden hacerse para evitar fallas de conformado Fig 8: • Primero, si la conformabilidad del material no es adecuada, debe ser seleccionado un material, más blando, o más dúctil. Esto generalmente implica un aumento del contenido de Cu o modificar el estado del material usando un recocido de ablandamiento (sobre 430˚C).
  • 42.  Segundo, si el material tiene una conformabilidad adecuada pero desarrolla problemas de conformabilidad cuando esta inmóvil, en este caso debe examinarse la calidad superficial de la barra. En tales casos, evidencias de fallas no sistemáticas sugiere la presencia de defectos aleatorios en la superficie de la barra. Estos defectos son típicamente microgrietas y/o inclusiones que se originan durante los primeros procesos de manufactura (principalmente, extrusión y colada) y actúan como sitios de iniciación de grietas durante el proceso de conformado.
  • 43. Las fallas de deformación en caliente aparecen durante las operaciones de estampado y forjado en caliente. Muchos fittings de latón son fabricados por estampado en caliente. Un ejemplo de reventado en caliente puede ocurrir en conectores de latón (aleación 37700) como se muestra en la Fig 11b. Los principales defectos en estampados/forjados en caliente son: • Reventado en caliente (Fig. 12) • Plegado o discontinuidad en forja en caliente (Fig. 13)
  • 44. Figura 12 a) Macrografía de Billet de latón sección transversal después de precalentamiento para forja. b) Micrografía de de capa exterior del billet donde se observa el crecimiento de grano. c) Micrografía del centro del billet, mostrando un afinamiento del grano. d) y e) Detalle de los alrededores de la grieta.
  • 45. Figura 13 a) Macrografía de sección longitudinal de un componente forjado. Mostrando las líneas de flujo y la posición de generación del defecto. b) Micrografía de a) mostrando una discontinuidad completa. Raíz de la discontinuidad.
  • 46. Las principales acciones para minimizar la apariencia de tales defectos, incluye: • Primeramente, y la más importante, examinar las etapas del proceso y parámetros considerados para la deformación plástica deseada. Estos parámetros incluyen la aleación seleccionada, las dimensiones y geometría de la parte producida, tamaño del billet, temperatura del proceso, razón de esfuerzo, lubricación parámetros de la matriz, y otras variables de fabricación. • Aumento de la pureza de la aleación, y minimizar elementos de adición que puedan producir fisuramiento en caliente (hot shortness). Elementos de aleación que favorecen el fisuramiento en caliente incluyen Bi y Pb.
  • 47.  Hay que ajustar cuidadosamente la temperatura de precalentamiento. Un calentamiento excesivo favorece el fisuramiento en caliente (hot tearing) y un calentamiento inadecuado puede producir grietas debido a una insuficiente ductilidad .Un calentamiento heterogéneo puede producir tensiones térmicas que se traducen en formación de grietas. La temperatura de precalentamiento típica esta en el rango entre 650 y 780˚C para la aleación C37700, pero la temperatura y tiempo de recocido óptima depende del material y de la cantidad de deformación plástica en caliente requerida para la fabricación. El control de temperatura y equipamiento de medida deben ser calibrados rutinariamente. La fig. 12 muestra una falla de fisura en caliente inducida por un calentamiento excesivo; por lo cual se observa un crecimiento de grano excesivo en la superficie del billet. (compare Fig. 12a y b).
  • 48.  Reducir la fricción a través del control de la lubricación. El flujo de metal debe ser suave , y una lubricación inadecuada o un material rugoso puede causar turbulencia durante el proceso de conformado en caliente. La turbulencia puede causar discontinuidades y pliegues en la parte conformada. Las impurezas (intrínsicas o extrínsicas) obstruye la soldadura entre capas y conduce a la formación de discontinuidades. (Fig. 13). Análisis químico del material en la punta de discontinuidades, las impurezas frecuentemente detectadas, tales como sílice y carbón, pueden ser la causa de los defectos.
  • 49. • Mejorar el diseño de la matriz para reducir ángulos agudos y detalles de formas intrincadas con el fin de facilitar el flujo de material. Adicionalmente, los dados o matrices deben ser propiamente pulidas después de cada ciclo de producción. • Asegurar una apropiada velocidad de carga, y evitar impactos de carga del material durante el proceso. Golpes en la carga son frecuentemente responsable por la formación de fracturas de corte.
  • 50. Conclusiones Dos diferentes categorías de fallas pueden ocurrir en barras de latón y componentes relacionados, estas son fallas en proceso, causadas por defectos formados durante la producción de barras, y fallas en servicio, las cuales ocurren durante la fabricación de los componentes y uso.
  • 51. Control de calidad y las prácticas de aseguramiento de calidad están dedicados a prevenir fallas más que inspeccionar y clasificar los productos defectuosos. Por eso, la experiencia consolidada y el background en el campo de procesamiento de materiales son necesarios de manera de investigar las causas de raíz de las principales fallas y para explorar las soluciones óptimas. El uso de ciertas herramientas, tales como la construcción de diagramas esquemáticos, ayuda en la organización del procedimiento de investigación.
  • 52. Fallas en proceso son originadas en las principales etapas de producción: colada, extrusión, y trefilado. Las fallas de colada son causadas por un contenido elevado de impurezas y cavidades por contracción /porosidades formadas durante la solidificación. Las fallas de extrusión incluyen las fallas de cola, la cual puede ser prevenida por el ajuste de las dimensiones de cáscara/descarte y frecuencia de limpieza del vástago del contenedor, y grietas de fisuramiento en caliente, las cuales pueden ser prevenidas por un control de la temperatura de extrusión y velocidad de prensado.
  • 53. Fallas en trefilado, obviamente en frío, frecuentemente pueden atribuirse a grietas de arista sen barras poligonales, las cuales se pueden prevenir por mejoramiento del proceso de desenrollado y/o disminuir el grado de reducción, y grietas de chevron (internas), las cuales pueden ser eliminadas por disminución de la fricción dado/metal y/o disminuir el grado de reducción.
  • 54. Las fallas en servicio incluyen fallas en de deformación en frío y caliente y fallas inducidas medioambientalmente. Las fallas medioambientales incluyen SCC y corrosión por descincficación. Minimizar las tensiones residuales por recocido y optimización de la selección de materiales es la principal acción correctiva para evitar fallas medioambientales. Fallas de deformación en frío son esperadas en los casos donde la capacidad de conformado de la aleación es excedida durante el trabajo en frío.
  • 55. Mejores selecciones de materiales (composición químico, nivel de recocido) y diseño de proceso son las principales acciones correctivas para evitar tales fallas. Fallas de deformación en caliente incluye reventado en caliente y pliegues, lo cual puede ser prevenido al limitar impurezas intrínsecas y extrínsecas y por un cuidadoso control de los parámetros de proceso (temperatura, duración de calentamiento, dimensiones del billet, diseño de la matriz, y lubricación).
  • 56. FIN.