Problema diagrama Pb-Sn

Donat el diagrama d’equilibri per al sistema Pb-Sn de la figura, respongueu raonadament les qüestions següents

a) Indiqueu si algun dels elements purs del diagrama presenta canvis alotròpics (0,25 punts). Indiqueu quina seria la solubilitat màxima de l’estany en el plom. (0,25 punts)

b) Calculeu el percentatge de fases α i β presents a 100 ºC en un aliatge amb un 30% de Sn. (0,5 punts)

c) Descriviu el procés de refredament des de 300 ºC fins a 180 ºC per a un aliatge amb un 61,9% de Sn. (0,5 punts)

d) Sabent que l’aliatge amb un 61,9% de Sn es pot utilitzar per fabricar peces mitjançant emmotllament, expliqueu tres avantatges i tres inconvenients d’obtenir una peça mitjançant fabricació additiva en lloc de mitjançant emmotllament convencional. (0,5 punts)

a) No, ni l’estany ni el plom com a elements purs presenten canvis alotròpics; l’única temperatura a la qual es produeix un canvi de fase en el diagrama tant per al Pb pur com per a l’Sn pur és la seva respectiva temperatura de fusió. La solubilitat màxima de l’estany en el plom és del $18,3\%$ Sn (a 183 ºC), essent aquesta la composició màxima per tenir una solució sòlida α homogènia.

b) A 150 ºC les fases presents en equilibri són $\alpha$ ($5\%$ Sn) i Sn pur. Aplicant la regla de la palanca per a un aliatge amb el $30\%$ Sn:

$\% \alpha=%
$$\frac{100 – 30}{100 – 5} \cdot 100 = 73,7 \%$$

$\%$Sn =
$$\frac{30 – 5}{100 – 5} \cdot 100 = 26,3 \%$$

c) L’aliatge de Pb amb un $61,9\%$ de Sn és una aliatge eutèctica. A 300 ºC, el material es troba en estat líquid. En baixar la temperatura, l’estat líquid es manté fins als 183 ºC. A aquesta temperatura, el material solidifica, transformant-se en equilibri en fase $\alpha$ ($18,3\%$ Sn) i fase $\beta$ ($97,8\%$ Sn), amb una morfologia de làmines alternes d’ambdues fases, característica de les transformacions eutèctiques, que serà la microestructura observable a 180 ºC. (Es pot dibuixar la microestructura com a part de l’explicació).

d) Es poden comentar tres dels avantatges diferents de la fabricació additiva:

1. Permet realitzar geometries específiques que optimitzen la distribució de càrregues suportades per les estructures, amb un important estalvi de material i reducció de pes final.
2. Com que no requereix moltes operacions de mecanitzat posteriors a l’emmotllament (en què es produeix eliminació de material), es redueix el residu generat i es minimitza l’impacte ambiental.
3. Permet accedir a geometries impossibles per tècniques d’emmotllament (per exemple, peces sense accés a buits interns).
4. Permet fabricar peces i elements complets, reduint la necessitat de realitzar unions (soldadures, assemblatges mecànics, etc.), cosa que redueix la complexitat del sistema, els costos de manteniment i el risc de fallada associat a la mala qualitat de les unions.
5. Es redueixen les etapes de fabricació en comparació amb tècniques més convencionals.
6. Permet personalitzar i modificar fàcilment el producte final, realitzar sèries petites a mida amb preus més baixos i acostar la producció al consumidor final.
7. Es redueixen els costos de material, fabricació i transport, així com l’emissió de gasos d’efecte hivernacle, fent que sigui un mètode de producció més sostenible.

Entre els inconvenients:

1. Pot requerir equips d’alt cost inicial d’inversió, així com tècnics qualificats per al seu maneig i manteniment, especialment en el cas de materials metàl·lics.
2. La tecnologia només està desenvolupada per a certs tipus de materials.
3. Pot ser difícil controlar les toleràncies dimensionals, l’acabat superficial o les propietats en determinades direccions segons la tècnica de fabricació.
4. Pot no ser adequat per a peces de gran mida o per a certes geometries (com xapes, barres…).
5. Pot no ser adequat per a la producció en sèrie.