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1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS Se denomina análisis térmico al estudio de la variación de la.

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1 1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS Se denomina análisis térmico al estudio de la variación de la temperatura de un metal o aleación durante su calentamiento o enfriamiento Enfriamiento Calentamiento Curva de enfriamiento Curva de calentamiento Con cantidades de calor constante por unidad de tiempo tenemos una elevación continua de temperatura, siempre que este no sufra ninguna transformación.

2 2 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS Las transformaciones experimentadas en la estructura de los metales ocurren generalmente con absorción o desprendimiento de energía. Si durante el enfriamiento o calentamiento de un metal, este pasa por alguna transformación estructural, su curva de enfriamiento presentara una inflexión. En el caso de un metal puro la curva de enfriamiento presenta una meseta.que corresponde a su temperatura de solidificación. Por inercia, hay un pequeño sub. enfriamiento luego, se recupera.

3 3 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS Las aleaciones presentan un intervalo de solidificacion. Una aleacion de 2 mas o metales que se disuelven mutuamente en estado solido en todas las proporciones, presenta un intervalo de solidificación T 1 – T 2 en lugar de la meseta. Los puntos M y N de la curva de enfriamiento corresponden a los puntos de inicio y fin de la solidificación

4 4 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS El intervalo de solidificación toma distintos valores de acuerdo a la concentración de los componentes. Podemos determinar toda una gama de curvas

5 5 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS Si representamos todas esas curvas en un solo diagrama y unimos todos los principios y fin de solidificación, tendremos un diagrama, en donde la curva superior se denominara liquidus, por arriba de la cual todo el material esta en estado liquido, y la curva inferior se denominara solidus por debajo de ella todo el material esta en estado solido.

6 6 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS Aleaciones binarias. a)Solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido b)Solubles en estado líquido y solubles en estado sólido. c)Solubles en estado líquido y parcialmente soluble en estado sólido d)Insolubles en estado líquido e insolubles en estado sólido e)Insolubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido f)Que contienen compuestos intermetálicos g)Que contienen reacciones peritecticas h)Que contienen transformaciones en estado sólido.

7 7 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS Aleaciones binarias de componentes solubles en estado liquido y completamente insolubles en estado solido. – Diagrama Eutectico. Estudiaremos la aleación bismuto-Cadmio. El análisis térmico de las aleaciones Bi-Cd de diferentes concentraciones arroja curvas con un intervalo de solidificación y una meseta.

8 8 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS DIAGRAMA EUTECTICO BISMUTO-CADMIO Comenzamos el análisis con 100% Cd, el diagrama será una meseta, a medida que aumentamos el porcentaje de Bi, disminuye la temperatura de la muestra, cuando la aleación tenga un 60% de Bi y 40% de Cd, y la temperatura sea de 140º, ahí se detiene la temperatura, hasta que se produce toda la transformación. Estamos en presencia de un Eutéctico Luego continua aumentando el Bi, hasta llegar a 100%, donde también tendremos una meseta producida por el Bi puro.

9 9 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS DIAGRAMA EUTECTICO BISMUTO-CADMIO La composición química del punto E se llama composición eutectica. La temperatura del punto E se llama temperatura eutectica. Esta representación se llama diagrama eutectico

10 10 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS LEY DE RAOUL La ley de Raoul, referente a los puntos de solidificación de soluciones cuyos componentes resultan insolubles en estado sólido: La temperatura de solidificación de un liquido disminuye con el agregado de una sustancia soluble en estado liquido e insoluble en estado sólido La disminución de la temperatura de solidificación es proporcional a la cantidad de moléculas disueltas. La temperatura del Cd es de 325º y la del Bi es 273º, por lo tanto cualquier aleacion comenzara a solidificar a una temperatura menor que el solvente.

11 11 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS LEY DE RAOUL Se originan dos curvas de solidificacion descendentes, que convergen en un punto, llamado eutectico y corresponde al punto de menor solidificación. Si tomamos una aleación A 20% de Bi en Cd, al llegar al punto B, comienzan a solidificar cristales de Cd puro. El líquido pierde Cd y aumenta el porcentaje de Bi, de acuerdo a la ley de Raoul,. baja la temperatura de solidificación A medida que sigue bajando la temperatura, prosigue precipitando Cd puro, aumentando los cristales en numero y en tamaño. La composición toma los valores de la proyección sobre la abcisa. Al llegar a 140º estamos en presencia de cristales de Cd en el seno de un liquido que tiene 40% de Cd y 60% de Bi. O sea es el PUNTO EUTECTICO.

12 12 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS DIAGRAMA EUTECTICO En el punto E coinciden las líneas de Solidus y liquidus, por debajo de este punto no existe el liquido, solo sólido. Entonces todo el liquido debe solidificar en ese punto, de tal manera que todo el liquido remanente formado por Cd y Bi, como no se disuelven en estado sólido, precipitan en forma de cristales pequeños de Cd y Bi, uno al lado del otro, impidiendo el crecimiento de uno y de otro. Se origina una estructura de granos muy finos uniformemente distribuidos.esta estructura se denomina EUTECTICA, Esta estructura rodea los granos de Cd que se formaron previamente Cristal de Cd Cristal de Bi { Eutectico

13 13 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS DIAGRAMA EUTECTICO Si tomamos una aleación de 40% de Cd y 60% de Bi es la concentración eutectica en estado liquido, puntos. Y la enfriamos hasta que la temperatura alcance los 140º, en este momento coprecipitan los cristales puros de Cd y Bi. Esta es la aleación de menor punto de solidificación. Cd Bi EUTECTICO {

14 14 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS DIAGRAMA EUTECTICO Si tomamos una aleación de 20% de Cd y 80% de Bi, punto D, Si comenzamos el enfriamiento, comienza a precipitar Bi, y el liquido se enriquece en Cd, hasta llegar a la composición 40% Cd y 60% Bi, en ese punto y cuando el liquido alcance los140º, coprecipitan cristales en Cd y Bi, rodeando los cristales de Bi precipitados previamente. Cd Bi EUTECTICO { Bi La precipitación del Eutectico no es instantánea, su duración es proporcional a la cantidad de liquido a solidificarse, durante su solidificación la temperatura permanece constante

15 15 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS DIAGRAMA EUTECTICO Durante la solidificación se puede medir el tiempo en que la temperatura permanece constante. Es máximo para la aleación eutectica y disminuye a medida que se acerca a los extremos, en la figura observamos en el diagrama superior como varia el tiempo.

16 16 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS DIAGRAMA EUTECTICO Durante la solidificación podemos conocer la proporción entre las cantidades de sólido y liquido presentes. Los segmentos horizontales, correspondientes a cada temperatura están subdivididos por la vertical de la concentración inicial en dos partes inversamente proporcionales a las cantidades de liquido y sólido. P/e. para una temperatura de 220º C. para una aleacion del 20% Bi en Cd. % liquido= MN MP % sólido = NP MP X 100

17 17 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y LIQUIDO. SOLUCIONES SOLIDAS En estas aleaciones los átomos del 2do. elemento, llamado soluto se encuentra alojado en los intersticios de la red cristalográfica ( Solución sólida intersticial) o reemplazando átomos del solvente (Solución sólida sustitucional). En ambos casos los diagramas son similares y la aleación consta de una sola fase. El análisis térmico arroja curvas de enfriamiento con un intervalo de solidificación

18 18 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS Durante la solidificación podemos determinar para cada temperatura las cantidades de liquido y solidó presentes, para una determinada composición química Para la aleación x, de composición P, a la temperatura T 1, tendremos una cantidad de sólido y liquido inversamente proporcional a los segmentos determinados sobre la horizontal de la temperatura de trabajo. % sólido =% liquido = OK JK JO JK x 100

19 19 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS Aleación Cu – Ni. Con enfriamientos muy lentos a partir de un liquido x, tendremos una separación de granos de sólido de composición N, como primer precipitado. Al seguir bajando la temperatura ( punto B), precipitara sobre los núcleos de comp. N, un precipitado de comp. M. Si la velocidad de difusión es lo suficiente- mente grande como para permitir que los átomos de Cu puedan penetrar en el precipitado formado (N), hasta llegar a (M). A la temp. T 3 tendremos el precipitado C, y en T 4 el D, en cada uno de ellos se repite, el fenómeno de difusión, si esta lo permitió tendrá la comp. P.

20 20 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS Grano M Grano N Grano O Grano P Si la difusion es pobre Si la difusion es perfecta Grano P Si la difusión lo permite todo el solido tendrá la composición P, coincidente con la composición química original

21 21 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS Como la difusión es deficiente, a cada temperatura precipitaran cristales correspondientes a la composición teórica, pero.los formados con anterioridad no modificaran su concentración y no darán los valores teóricos requeridos. De este modo a la temp. T 2, el promedio de la Composición será M, en lugar de M, a la temp. T 3 será P en lugar de P y la solidificación no terminara en 3, sino en O. Los granos formados tendrán un gradiente de composiciones. En su centro serán mas ricos en la composición de mayor punto de solidificación

22 22 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS No basta, muchas veces, un enfriamiento lento a partir del liquido, sino que necesita un calentamiento, con enfriamiento lento dentro del horno. La estructura y propiedades mecánicas de las soluciones solidas son: Granos poligonales equiaxiales, semejantes a los metales puros. Gran plasticidad,( ductibilidad, forjabilidad,etc.). La plasticidad disminuye a medida que se acerca al centro del diagrama y aumenta la resistencia mecánica. Cuando los granos son chicos gran resistencia, granos grandes disminuye la resistencia.

23 23 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS Existen diagramas de solución sólida total con una temperatura máxima o mínima de solidificación correspondiente a una aleación intermedia de la serie. A ambos lados de esta temperatura limite, tenemos solución sólida total, pero el material de la izquierda solidifica según un sistema cristalográfico, el de la derecha según otro.

24 24 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) Estamos en presencia de 2 metales cada uno de los cuales disuelve una cantidad limitada del otro. El diagrama correspondiente presenta 2 zonas de solución sólida en sus extremos α y β y un eutectico en su region intermedia (E), T 3 y T 4 son las temperaturas de los metales puros A y B. El punto G indica la maxima cantidad de metal B que puede disolverse en A. Este valor máximo de solubilidad es N% y se obtiene a la temp. T 2. A temp. menores la solubilidad de B en A disminuye según GM y a temp. Ambiente el metal A puede contener tan solo M% de material B disuelto.

25 25 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) En el punto E tenemos un eutectico, temp.T 2, O es la composición química. En el punto H, tenemos la máxima solubilidad de A en B y disminuye según la línea MP, a temp. Ambiente la cantidad de A disuelta en B es de P%. En A y B tenemos la estructura de metal puro, en el Eutectico, la estructura corresponde a una composición de N % ( B en A) y 100 – R % ( A en B). El eutectico esta formado por cristales de solución sólida α de comp. N, y de solucion solida β de comp. R.

26 26 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) Puntos 1 y 6 Solución sólida pura Aparece a ambos extremos del diagrama. Al enfriarse desde el estado liquido, corta la línea del liquidas precipitando cristales de solución sólida α de comp. 1, seguidos de otro de composición 1. Con enfriamientos muy lentos o tratamientos termicos de homogeneizacion posterior tendremos un material ductil y blando. La estructura metalografica sera de granos poligonales equiaxiales. Si el enfriamiento es brusco y no se efectuó ningún tratamiento la estructura será de granos de componente A en el centro y B en los bordes. Metal puro A

27 27 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) Para la aleación 2 el mecanismo es similar: produce solución sólida α. Pero una vez sólida al bajar la temperatura y cruzar la línea GM, comienza a segregar el componente β, en los bordes de grano. Si el enfriamiento es brusco, se puede obtener la misma estructura anterior con un tratamiento térmico de recocido.

28 28 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) 3 Solución sólida rodeado de eutectico Al enfriarse a partir del estado liquido, se llega a la línea del líquidas y precipita la solución sólida α. Existe liquido rodeando los cristales formados, cuya composicion ha ido siguiendo la linea CE. A la temperatura eutectica posee la composición correspondiente al punto E, en forma isotérmica precipitan granos α de Comp.N y granos β de comp. R, rodeando los granos de solución sólida

29 29 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) La solubilidad de B en A, va disminuyendo a medida que baja la temperatura según la línea G-M, segregando componente B, que a temperatura ambiente tendrá la composición M. Este componente así segregado pasa al borde de grano, no será material puro B, sino solución sólida β de composición P. El mismo fenómeno ocurre con la solubilidad de A en B, a temp. ambiente tendremos granos de α de comp. P En el punto 3 entonces tenemos granos de solución sólida α rodeada de eutectico formada por granos pequeños de solución sólida α de comp. M y de solución sólida β de comp. P.

30 30 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) Cuando la concentracion de α sea mayor, menor sera la proporsion de eutectico, el metal sera mas blando, menor dureza y resistencia. Con menor concentracion de α, mayor sera la cantidad de eutectico, el metal sera mas duro, mayor dureza y mayor resistencia. Solucion solida α Eutectico

31 31 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) Fig. 162 Resulfurized 4140 steel forging normalized by austenitizing 30 min at 900 °C (1650 °F) and air cooling, and annealed by heating 1 h at 815 °C (1500 °F), furnace cooling to 540 °C (1000 °F), and air cooling. The structure is blocky ferrite and lamellar pearlite. The black dots are sulfide. 2% nital. 825×

32 32 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) Aleacion 4,punto E, composicion eutectica Cuando la aleacion tiene la composicion eutectica, el liquido desciende su temperatura hasta la eutectica, alli se produce una transformacion isotermica, se forman granos de solucion solida α y granos de solucion solida β, de composicion N y R respectivamente. Al llegar a la temperatura ambiente, se fueron segregando componentes de manera que tenemos un eutectico formado por α de comp. M y β de comp. P Este material es el de grano mas fino y sera el mas duro y resistente. Ademas es de mejor colabilidad.

33 33 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) La aleacion 5 se asemeja a la 3, pero solidifica primero β y luego eutectico Sol. β Eutectico La aleacion 1 es similar a la 6 Metal puro B

34 34 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO) Como en los casos anteriores se puede determinar el los porcentajes de liquido y solido, p/e en el punto tenemos % de liquido= IJ IK X 100 % de solido= JK IK X 100

35 35 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO Todas estas transformaciones se pueden realizar con enfriamientos infinitamente lentos o con tratamientos térmicos posteriores, si no suceden estas cosas los granos tienen diferentes composiciones durante toda su transformación desde liquido hasta completamente sólido. El material a considerar tiene la composicion B, pero al inicio tiene la composicion A, si hay difusion perfecta la composicion en todo el grano es B, sino sera una intermedia.

36 36 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO Un ejemplo de estas aleaciones es Pb- Sn, presenta dos regiones de solución sólida y un eutectico, los puntos B y D marcan la máxima solubilidad de un componente en otro. Las aleaciones con Sn entre 19,5% y 62%, están formadas por granos de solución sólida de Sn en Pb y eutectico. Las comprendidas entre 62% y 92,4% de Sn. Por granos de solución sólida de Pb en Sn y eutectico. 62% de Sn, eutetectico puro. El eutectico esta formado aquí por por cristales de solución sólida β de 92,4% de Sn y solución sólida α de 19,5% de Sn. Las aleaciones con 33%, 50% 62% se utilizan para soldadura a baja temperatura. ( las barritas de Sn).


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