En el presente trabajo se estudia el efecto de la temperatura en la microestructura de la aleación CuAgZr y también investiga las propiedades de esta aleación en microestructuras dendríticas y forjadas, en el rango de temperaturas [300°C a 640°C] en aleaciones con distinto contenido de Zr. Los resultados indican que las microestructuras conformadas plásticamente son inmunes a los efectos de la temperatura en el ensayo de tracción. Por otro lado, el estudio de dos aleaciones con contenidos diferentes de circonio arroja como resultado que a medida que se incrementa el porcentaje de circonio disminuye su conductividad

1. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES DE LA
ALEACIÓN CuAgZr.
Fernando Ruiz Díaz (1,
*)
, Lucas Feloy(1)
, Ernesto G Maffia(1)
(1) Departamento de Mecánica, Facultad de Ingeniería de La Plata, Universidad Nacional de La
Plata, (UNLP), 1900, BA, Argentina
* fernando.ruizdiaz@ing.unlp.edu.ar
En el presente trabajo se estudia el efecto de la temperatura en la microestructura de la aleación
CuAgZr y también investiga las propiedades de esta aleación en microestructuras dendríticas y
forjadas, en el rango de temperaturas [300°C a 640°C] en aleaciones con distinto contenido de Zr.
Los resultados indican que las microestructuras conformadas plásticamente son inmunes a los
efectos de la temperatura en el ensayo de tracción. Por otro lado, el estudio de dos aleaciones con
contenidos diferentes de circonio arroja como resultado que a medida que se incrementa el
porcentaje de circonio disminuye su conductividad.
Existe en el mercado, una serie de aleaciones base cobre que son empleadas en
situaciones de alta temperatura y esfuerzos mecánicos moderados. El material apto para
este tipo de condiciones es la aleación CuAgZr. Esta aleación con un contenido de 3 % en
peso de plata y 0,5 % en peso de zirconio, combina una elevada conductividad térmica y
eléctrica con una moderada resistencia a elevadas temperaturas, propiedades que se
mejoran aún más por un tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación [1]. Es
tan importante que ha desplazado al resto de las aleaciones empleadas hasta el
momento, como ser la CuCr, CuCrZr, CuNiSiCr, incluso las CuBe, transformándose en un
material ideal para aquellos entornos tales como toberas y cámaras de combustión de
aviones y cohetes espaciales [2-3]. Por lo tanto, en aquellos lugares donde no se cuenta
con esta tecnología, la opción es utilizar una aleación que se fabrique por procesos
convencionales de colada y conformado plástico, y es allí donde la Cu3Ag0,5Zr tiene
vigencia.
En el presente trabajo se estudia el efecto de la temperatura en la microestructura de
aleaciones CuAgZr. Se estudian las propiedades en materiales de microestructura
dendrítica y forjada a través de ensayos de difusividad térmica, de expansión térmica y
capacidad calorífica en el rango de temperaturas de 300°C a 640°C en aleaciones con
distinto contenido de circonio [4].
La aleación CuAgZr se obtiene por fusión en horno de inducción y se vacía en moldes
de arena y metálicos, basados en las recomendaciones de la norma ASTM B208. La
composición de la aleación se determina por medio de un equipo de fluorescencia de
rayos X. Además se caracteriza la aleación CuAgZr mecánicamente en función de la
temperatura utilizando ensayos de tracción. La geometría de las probetas de ensayo es
cilíndrica, con 100 mm de zona calibrada y rosca en los extremos para los ensayos en
caliente, tal como lo establece la norma ASTM E21. Se estudia la conductividad térmica
en función del porcentaje de circonio y de la temperatura, entre los 300°C y los 640°C.La
medición de la difusividad se realiza por la técnica flash laser (LFA 1000), el calor
especifico se mide a través de un calorímetro diferencial de barrido (DSC PT1600) y el
cálculo de la densidad en función de la temperatura se realiza en forma indirecta. Los
valores presentados (tabla 1) son el promedio de cinco mediciones y no se informa que
el Zr medido corresponda al elemento puro o a un compuesto.

2. Muestra/Composición Ag (% en peso) Zr (% en peso) Cu
1 (obtenida en
laboratorio de la
UNLP)
3 0.4 Balance
2 (Obtenida en
empresa de fundición
de no ferrosos)
3 0.7 Balance
Tabla 1: Composición química de las aleaciones CuAgZr utilizadas en las medidas de las
propiedades térmicas.
En las figura 1a y 1b, se presentan los resultados de múltiples ensayos de tracción
realizados a materiales fundidos y forjados a diferentes temperaturas.
Figura 1: Variación de la tensión en función de la temperatura. a) Forjadas (Izquierda).
b) Fundidas (Derecha)
En estos gráficos se observa que las muestras ensayadas a los 640 °C con estructuras
forjadas expresan una leve tendencia a mejorar la resistencia mecánica pues la tensión
de rotura ronda los 140 MPa contra los 105 Mpa de las muestras fundidas. Si bien esta
mejora es pequeña, también nos indica que las estructuras forjadas se comportan en un
modo más tenaz a altas temperaturas. Esto sería causado por una menor cantidad de
fases precipitadas, pues la forja a elevadas temperaturas disuelve en mayor medida la
cantidad de segundas fases. En la figura 2 se presenta la evolución de la ductilidad en
función de la temperatura.
Figura 2: Variación de la ductilidad en función de la temperatura.
Se observa que hay una pérdida de ductilidad en muestras As Cast de aproximadamente
un 80 % promoviendo un comportamiento frágil, mientras que las muestras forjadas no
presentan ese comportamiento, salvo un dato aislado que frente al comportamiento
estadístico del resto puede ser descartado.
Para determinar la conductividad térmica se mide a través de equipos de medición la
difusividad térmica, capacidad calorífica y densidad en función de la temperatura; luego
se realiza el cálculo según la ecuación:

3. (1)
Donde κ es la conductividad térmica, ρ la densidad, σ es la difusividad térmica y el Cp la
capacidad calorífica del material.
Con estos resultados se logra calcular la conductividad térmica en función de la
temperatura. Las conclusiones de estos ensayos se muestran en la figura 3.
Figura 3: Variación de la conductividad en función de la temperatura para A) Material en
condición como colado y forjado. B) Diferente porcentaje de Zr (Ver Tabla 1).
Otro de los interrogantes en estas nueva aleación CuAgZr es la influencia del circonio en
las propiedades eléctricas y térmicas. Esta pregunta se resuelve midiendo la difusividad
en función de la temperatura y en función del porcentaje de Zr. El gráfico presentado en
la figura 3B exhibe los resultados de conductividad térmica de las muestras obtenida en
la empresa (0.7% Zr) y la obtenida en el laboratorio (0.4% Zr) que indican que a mayor
porcentaje de Zr disminuye la conductividad térmica. Evidentemente, se disuelve una
mayor cantidad de Zr en la matriz de Cu, afectando el transporte de electrones.
Se caracteriza mecánicamente la aleación CuAgZr en función de la temperatura a
través de ensayos de tracción. Los resultados indican que las muestras forjadas se
comportan de manera dúctil a elevadas temperaturas (140 MPa de resistencia máxima
contra los 103 MPa de los materiales de estructura fundida). Esta mejora en el
comportamiento a la rotura se debe al cambio microestructural de la estructura, producto
de la forja. Por otro lado, se estudia la conductividad térmica de diferentes aleaciones de
CuAgZr en el rango de temperaturas de 300°C a 640°C. La aleación con un contenido de
circonio del 0,4% en peso tiene una conductividad a 640°C de 412 W/m K y otra con
0,7% en peso de Zr, presenta 285 W/m K. Esto indica que el Zr a utilizarse como
elemento aleantes debe estar en su mínimo valor pues apenas un 0,3% degrada
fuertemente las propiedades eléctricas de la aleación.
Agradecimientos: Agradecemos el espacio brindado al grupo de investigación
ProInTec I&D de la Universidad Nacional de La Plata y a la empresa Coopersol S.A por
dejarnos utilizar las instalaciones para el proceso de conformado
Referencias
[1] 9. Liu, J. B., Zhang, L., Dong, A. P., Wang, L. T., Zeng, Y. W. & Meng, L. (2012). Effects of Cr
and Zr additions on the microstructure and properties of Cu–6wt% Ag alloys. Mater. Sci. Eng. A,
2006, 532, p. 331-338
[2] 1. Henry C. de Groh, David Ellis, William Loewenthal. Comparison of AMZIRC and GRCop-84.
NASA Glenn Research Center, 2005.
[3] 2. D.L. Ellis. GRCOP-84: A high-temperature copper alloy for high-heat-flux applications.
NASA, febrero 2005.
[4] Terry M. Tritt: Thermal conductivity: theory, properties and applications