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VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandía 2002
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INFLUENCIA DE DISTINTOS RECUBRIMIENTOS EN ALGUNAS
PROPIEDADES DE ALEACIONES Cu-Be. EFECTO DE LOS
TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
S. Merino a, A. J. Criado b, L. Castro a, C. Fosca c
a
Universidad Alfonso X el Sabio. Departamento de Tecnología Industrial. Villanueva de la
Cañada 28691 Madrid.
b
Universidad Complutense de Madrid. Facultad de Ciencias Químicas. Departamento de
Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. 28040 Madrid.
c
Pontificia Universidad Católica del Perú. Departamento de Ingeniería Mecánica. Lima. Perú.
RESUMEN
Las aleaciones de Cu-Be endurecen por precipitación, pero cuando son sometidas a
tratamientos térmicos en atmósfera oxidante el berilio difunde hacia la superficie,
combinándose con el oxígeno y formando una capa de óxido muy estable [1]. Esto se traduce
en una disminución de la dureza superficial de la aleación.
Para evitar este problema se recubrieron electrolíticamente distintas muestras con plata, cobre
y níquel y posteriormente se realizaron los tratamientos térmicos de maduración. La variación
del perfil de composición en función del tratamiento térmico se realizó mediante
microanálisis WDS/EDS. Los valores de microdureza obtenidos en las muestras recubiertas
indican que el recubrimiento impide parcialmente la difusión del berilio hacia el exterior
durante el tratamiento térmico.
Palabras claves
Aleaciones de Cu-Be, recubrimientos, endurecimiento por precipitación.
1.INTRODUCCIÓN
Las aleaciones de cobre berilio (Cu-Be) se utilizan fundamentalmente en aquellas
aplicaciones que requieren una combinación de alta conductividad eléctrica y resistencia
mecánica y para el caso en que se precise elevada resistencia a la corrosión, a la fatiga y al
desgaste [2, 3].
La importancia tecnológica de las aleaciones de Cu-Be se basa en que con un simple
tratamiento térmico de envejecimiento se consigue un endurecimiento estructural que permite
obtener unas propiedades mecánicas muy elevadas y óptimas propiedades eléctricas.
En este trabajo se estudia una aleación comercial de Cu - 1,98% Be empleada en la
industria electrónica como materia prima para la fabricación resortes y piezas de contacto
eléctrico [4,5]. La aleación se recibe solubilizada a 800ºC y posteriormente deformada en frío.
1.1Endurecimiento por precipitación
El endurecimiento de la aleación se produce por la precipitación de la fase γ a través de
varias fases intermedias [6]. El tratamiento de endurecimiento se hace normalmente entre
250ºC y 330ºC, para tiempos que varían entre 15 minutos y 4 horas, dependiendo de las
características buscadas [7]. Si se aumenta más la temperatura y/o el tiempo de tratamiento
térmico (T.T.), las partículas de γ, forman precipitados de mayor tamaño, quedando la matriz
α similar a la del cobre. En estas condiciones, la resistencia mecánica y la dureza disminuyen,
pero la conductividad eléctrica es más elevada [8, 9]. En ciertos casos, para obtener
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determinadas combinaciones de propiedades mecánicas y conductividad se requiere un cierto
grado de sobreenvejecimiento.
La variación de conductividad según la temperatura de envejecimiento sigue un trazado
similar para todas las temperaturas, alcanzándose valores mayores a temperaturas más altas.
El envejecimiento es, por tanto, adecuado para obtener combinaciones de propiedades
especiales aunque hay que evitar elevados sobreenvejecimientos ya que las piezas sometidas a
estas condiciones no siempre pueden recuperar sus propiedades mecánicas iniciales.
1.2. Aplicaciones industriales
Las aleaciones de cobre berilio se emplean en la fabricación de muelles, diafragmas y
piezas que forman parte de aparatos de medida eléctrica y barométrica, utilizando en estos
casos su propiedad de elevado límite elástico unida a su bajo módulo de elasticidad y buena
resistencia a la fatiga aún en ambientes corrosivos. Estas aleaciones presentan, por tanto,
propiedades muy superiores a las de los materiales convencionales a la hora de ser utilizados
como flejes y resortes y pueden ser empleadas en la fabricación de conexiones en la industria
electrónica, láminas de contacto en las industrias electromecánica y automovilística, resortes,
etc. Pero en algunas ocasiones las conductividad de la aleación no es suficiente, por lo que se
debe recubrir con algún elemento que presente mayor conductividad.
1.3. Recubrimientos
En general, los recubrimientos electrodepositados se emplean para proteger el material
contra la corrosión y el desgaste, pero cuando se recubren componentes eléctricos con metales
preciosos éstos deben actuar como revestimientos de contacto y estar, por tanto, sujetos a
ciertos requerimientos técnicos.
En el presente trabajo se han realizado, entre otros, recubrimientos de plata, cuya
finalidad fundamental es aumentar la conductividad eléctrica superficial de determinadas
piezas de Cu-Be empleadas en la industria electrónica manteniendo las propiedades
mecánicas obtenidas durante el envejecimiento.
2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Recubrimientos
Uno de los objetivos de este trabajo es la mejora de la conductividad superficial de las
aleaciones de Cu-Be, para ello el material en estado de recepción fue recubierto con películas
de plata mediante procesos galvánicos. De esta forma se pretende aumentar la conductividad
del material en el estado de máxima resistencia y evitar las pérdidas superficiales de berilio
ocurridas durante los tratamientos térmicos de envejecimiento.
Mediante ensayos normalizados se comprobó que el recubrimiento de plata presentaba
problemas escasa adherencia en algunos ensayos por lo que se estudiaron capas intermedias
de cobre y níquel entre la aleación base y el recubrimiento de plata.
Ensayos anteriores, realizados a nivel industrial, demostraron que realizando el T.T. de
maduración previo al recubrimiento electrolítico, la película de plata se desprendía con
facilidad en periodos de tiempo relativamente cortos para piezas en servicio. Por ello se
realizaron los electrodepósitos en primer lugar y, posteriormente, se llevaron a cabo los T.T.,
con el fin de verificar si de este modo el anclaje de la película resultaba mejor.
2.2. Ensayo de microdureza
La finalidad de este ensayo es observar si existe variación en la dureza del material
como consecuencia de pérdidas de berilio por oxidación durante el T.T. Se emplea como
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método indirecto ya que al ser el berilio un elemento ligero no podemos detectarlo con
medios convencionales.
Las medidas se realizaron desde el borde hacia el interior de las probetas (en cortes
transversales), en puntos equidistantes, hasta obtener la estabilización de los valores de
dureza. Se tomaron medidas en probetas sin recubrimientos y con diferentes T.T. Medidas
similares se llevaron a cabo en probetas con idénticos T.T. pero recubiertas previamente.
Se aplicó una carga de 25 gramos durante 15 segundos con un penetrador Vickers. Para poder
observar sin dificultad la huella obtenida sobre las probetas durante el ensayo, estas tienen
que ser preparadas metalográficamente con anterioridad al ensayo.
2.3. Estudio de los recubrimientos mediante técnicas de microanálisis WDS/EDS.
La técnica de microanálisis WDS/EDS permite en un único equipo de trabajo, combinar
un sistema de medidas mediante un espectrómetro de rayos X de longitud de onda dispersiva
(WDS) y otro espectrómetro de rayos X de energías dispersivas (EDS). El equipo utilizado
fue una microsonda JXA - 8900S/M/L. Una de las grandes ventajas de este sistema es que
permite analizar y observar tanto grandes zonas como microáreas de la superficie de la
muestra.
Se realizó un estudio del perfil de composición de las muestras con los diferentes T.T.
y todos los recubrimientos. El análisis se realizó de forma lineal y en pequeñas áreas,
barriendo la zona comprendida desde el recubrimiento hacia el interior de la muestra. Las
probetas fueron metalizadas previamente.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Influencia de los recubrimientos en algunas propiedades mecánicas de la aleación.
Los resultados de microdureza obtenidos tanto en la aleación base como con los
diferentes recubrimientos estudiados se muestran en la figura 1a). Se aprecia la diferencia de
dureza entre el borde y el centro de las probetas, cerca del borde la dureza es menor y
corresponde a la zona de pérdidas de berilio por oxidación. La diferencia de dureza entre la
superficie y el interior es mucho menor para las muestras con recubrimiento que para el
material base, lo que indica que el electrodepósito impide la difusión del berilio hacia el
exterior durante el T.T. Valores de dureza estables a una determinada distancia indican un
contenido en Be homogéneo, esta distancia varía con la presencia de recubrimientos, pero
también con la temperatura de T.T. (figura 1b). Se puede apreciar como a 315ºC durante 2
horas se consigue la mayor dureza superficial, a tempertauras superiores y/o tiempos mayores
la aleación sobrenvejece perdiendo dureza y propiedades mecánicas.
315ºC
550
475
450
Recubrimiento de níquel + plata
Recubrimiento de cobre + plata
425
Recubrimiento de plata
Microdureza (HV)
Microdureza (HV)
500
375ºC
345ºC
285ºC
500
450
400
350
300
400
0
0,2
0,4
0,6
0,8
distancia (mm)
1
1,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
distancia (mm)
Figura 1: a) Variación de la dureza desde el borde hacia el interior. Se observa como la
pérdida superficial de berilio se traduce en una disminución de la dureza del material (315ºC2h ). b) Influencia de la temperatura de T.T. en la difusión del berilio (tiempo 2h). La dureza
disminuye porque las pérdidas de Be son más elevadas que en el material recubierto.
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3.2. Influencia de los tratamientos térmicos de envejecimiento en la difusión entre el
metal base y los recubrimientos.
Mediante este estudio se analiza la interdifusión, entre los elementos que forman los
recubrimientos y los que pertenecen al metal base, cuando se realizan los TT de
envejecimiento posteriormente al recubrimiento. También se evalúa la influencia de la
difusión en las propiedades finales del material.
3.2.1. Estudio mediante técnicas de microanálisis WDS/EDS
Los diagramas de intensidades para probetas con recubrimiento de plata permiten
apreciar las diferencias que implica el TT. La figura 2 corresponde al material sin TT se
observa que el cobre pasa de una elevada intensidad hasta cero, aumentando es ese momento
la intensidad de la plata, tanto el aumento de uno como la caída del otro es una línea recta
perpendicular al eje, lo que indica que no existe ningún tipo de difusión o penetración.
Al envejecer las muestras (figura 3) aparece una zona de difusión (I), en la que
disminuye la intensidad de la plata y aumenta en el mismo valor la de cobre. Este efecto claro
de difusión no se observó en probetas envejecidas antes de ser recubiertas (Figura 4)
poniéndose de nuevo de manifiesto que para anclar la película al material base es necesario un
TT posterior al recubrimiento.
Figura 2: Diagrama de intensidades para probetas con recubrimiento de Ag sin TT.
Figura 3: Diagrama de intensidades para probetas con recubrimiento de Ag envejecida a
315ºC durante dos horas.
El mismo análisis realizado para un área determinada de probeta, en lugar de para una
línea, aporta una idea más general del acoplamiento entre el recubrimiento y el material base,
así como la influencia del TT. En el caso del material envejecido (315ºC-2h) el mapa EDS
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(Figura 5) muestra un contorno aparentemente plano, sin embargo se aprecia una disminución
del espesor respecto al material sin TT.
Figura 4: Diagrama de intensidades para probetas con recubrimiento de Ag envejecidas
anteriormente al electrodepósito.
Figura 5: Mapa EDS para el material recubierto con plata y envejecido (315ºC - 2h).
Los mapas EDS de probetas con recubrimiento de cobre + plata, muestran la intercara
material base-recubrimiento, así como como los perfiles de plata y cobre. En el material sin
TT (Figura 6), tanto el aspecto de la intercara como los perfiles de plata y cobre indican que
no ha habido difusión de elementos. Al realizar el TT de envejecimiento (315ºC-2h) se
produce difusión entre el cobre y la plata electrodepositados (Figura 7), apareciendo una
intercara rugosa entre estos elementos. En el perfil de concentración de cobre de la misma
figura se puede observar una pequeña diferencia de intensidad entre el recubrimiento de cobre
electrolítico y el material base Cu-Be.
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Merino, Criado, Castro y Fosca
Figura 6: Mapping EDS mediante microsonda para el material con recubrimiento de Cu + Ag
sin TT.
Figura 7: Mapping EDS mediante microsonda para el material con recubrimiento de Cu + Ag
envejecido (315ºC - 2h).
Los mapas EDS para recubrimientos de níquel + plata sin TT presentan una intercara
plana entre el recubrimiento y el material base como consecuencia de la falta de difusión. Sin
embargo en las probetas envejecidas (315ºC - 2h) aparece una disminución considerable del
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espesor debido tanto a la difusión, como al deterioro que aparece en estos recubrimientos
depués de los TT (Figura 8).
Figura 8: Mapping EDS mediante microsonda para el material con recubrimiento de Ni+Ag
envejecido a 315ºC durante dos horas.
La variación de los coeficientes de difusión en función de la temperatura podría
justificar los resultados anteriores. Tanto en el caso del Cu-Cu , como en el caso del Cu- Ag,
los valores de los coeficientes de difusión son semejantes. Cuando se trata del Cu – Ni, los
valores de difusión disminuyen tres órdenes de magnitud, esto indica que la difusión en las
mismas condiciones es más difícil, aunque en los tres casos los coeficientes de difusión son
muy bajos a las temperaturas a las que se trabaja.
4. CONCLUSIONES
1. Los tratamientos térmicos de envejecimiento realizados con posterioridad al
recubrimiento mejoran notablemente la adherencia de éste al material base debido a la
difusión que aparece en la intercara material base - recubrimiento.
2. El T.T. con el que se obtienen mejores propiedades mecánicas es la maduración a 315ºC
durante 2h realizado posteriormente al recubrimiento.
3. Los tratamientos térmicos de maduración de la aleación base previos a la realización del
recubrimiento disminuyen de forma considerable la adherencia entre el electrodepósito y
el metal base.
4. El material con recubrimientos presenta menor variación de dureza entre el borde y el
centro de las probetas que el material no recubierto. Esto pone de manifiesto que la
presencia de una película electrodepositada impide la difusión de berilio hacia el exterior,
lo que se traduce en una mejora en las características mecánicas.
5. El espesor de los recubrimientos disminuye aparentemente con el tratamiento térmico,
debido a la difusión. La variación de los coeficientes de difusión con la temperatura
indica que en el caso del níquel y la plata la difusión es más difícil que para el cobre y la
plata. Esto implica que el recubrimiento formado por cobre + plata responde mejor,
después del TT de envejecimiento, produciéndose un mejor anclaje de la película.
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5. REFERENCIAS
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