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ALEADO MECÁNICO




Enviado por antmanning



    Indice
    1.
    Introducción

    2. Aspectos
    Experimentales

    3. Resultados Y
    Discusión

    4. Resumen del mecanismo del aleado
    mecánico

    5. Bibliografía

    1.
    Introducción

    El aleado mecánico es un proceso que
    involucra la repetida deformación, fractura y soldadura
    continua de partículas al estar sujetas a una molienda
    constante, además de que por esta técnica se
    obtienen aleaciones en
    el estado
    sólido. El aleado mecánico es una técnica
    novedosa con lo cual se obtienen materiales
    avanzados con propiedades inusuales, debido al enfriamiento micro
    estructural a que son llevados los polvos de elementos
    metálicos, no metálicos o compuestos, en la cual
    ocurre una combinación atómica hasta obtener una
    aleación verdadera de los compuestos.
    El proceso de
    aleado mecánico fue desarrollado en los años
    60’s buscando producir una dispersión de
    óxidos en superaleaciones base hierro y
    níquel con el fin de aumentar su resistencia
    mecánica a altas temperaturas. Se han
    obtenido aleaciones de
    base aluminio,
    titanio, silicio, molibdeno, níquel entre otros;
    incluyendo los ínter metálicos del sistema Ni
    – Al, así como en sistemas binaros
    Al-Zr, Fe-Al o en sistemas
    ternarios Al-Ti-Co.
    El aleado mecánico es un método
    para fabricar aleaciones con un tamaño de grano
    manométrico. La fabricación de las aleaciones por
    aleado mecánico tiene ventajas importantes sobre otros
    métodos o
    procesos como
    son:
    * La molienda permite obtener una aleación a niveles
    atómicos, debido al fenómeno de
    difusión.
    * Se obtienen aleaciones con una baja contaminación de oxigeno y de
    hierro.
    * Se obtiene un producto con
    tamaño de grano nanométrico que beneficia al
    proceso de sinterización.
    * Se forman por energía mecánica, por lo tanto su mezcla no tiene
    problemas de
    diferencia en densidad o
    temperaturas de fusión,
    tal como sucede en la fusión.
    * No se presentan segregaciones microscópicas de elementos
    o fases.
    El aleado mecánico es la formación de aleaciones
    mediante el uso de una fuerza
    externa, es decir la combinación a nivel atómico de
    dos o más metales
    sólidos, se realiza por la acción de una fuerza
    comprensiva; a diferencia del aleado convencional que se realiza
    mediante la mezcla de los metales fundido
    en un crisol.
    En la práctica, el aleado mecánico se consigue
    mezclando polvos muy finos de diferentes metales. La mezcla es
    introducida en un molino de alta energía, donde las
    partículas de polvo se comprimen unas con otras, hasta que
    prácticamente se sueldan, obteniendo una
    combinación a escala
    atómica. El polvo aleado mecánicamente, puede
    entonces ser moldeado y tratado térmicamente para producir
    piezas útiles, o bien, puede ser usado como recubrimiento,
    catalizador o conductor.
    Cabe destacar que este proceso requiere de equipos e
    instalaciones de menor costo que una
    fundición y como no es necesaria la utilización de
    altas temperaturas, es más seguro y menos
    contaminante, aunque esté limitado a producción de bajos volúmenes.
    Los materiales
    cristalinos tienen muchos cristalitos orientados de diferente
    manera entre sí, es decir, están todos unidos pero
    con diferentes orientaciones, a esos les llamamos materiales
    policristalinos y el tamaño de estos cristalitos influye
    notablemente en sus propiedades, lo cual puede ser muy variado.
    Por ejemplo, es típico en los metales que mientras
    más finos son estos cristalitos el material es más
    resistente mecánicamente, e inclusive puede ser más
    dúctil. En los materiales cerámicos, se puede dar
    el caso de que con un tamaño suficientemente fino, se
    pueda producir un cerámico transparente. Si aumente el
    tamaño del cristal, el cerámico normalmente
    adquiere un color crema, que
    es lo típico que vemos; así, el tamaño de
    cristal influye en las propiedades ópticas,
    eléctricas y mecánicas.
    Desde hace unos diez años se empezó a experimentar
    con la producción de materiales con cristales cada
    vez más finos y finalmente se llegó al
    régimen de los nanómetros, o sea, una mil
    millonésima de metro, dando origen a los materiales
    nanocristalinos; cuando el tamaño del cristal es menor de
    unos cien nanómetros, normalmente se le acepta como un
    material nanocristalino. Al empezar a producir y caracterizar sus
    propiedades, se descubrieron cosas interesantes, en metales, la
    resistencia
    aumenta
    Así, en algunos cerámicos frágiles, el
    material se podía deformar plásticamente cuando
    estaba en estado
    nanocristalino. En materiales electrónicos, se creaban
    estados iónicos diferentes a los de materiales con mayor
    tamaño de cristal, adquiriendo nuevas propiedades como
    emisión de luz o de
    diferente longitud de onda (color).
    En fin, han sido muchos los cambios que se han notado al llevar
    el tamaño de cristal a la región de tamaños
    nanométricos."
    El trabajo por
    aleado mecánico, resultó que muchos de los
    materiales que se producían de esta manera, precisamente
    terminaban con una estructura
    nanocristalina, es interesante el estudio de las propiedades de
    estos nuevos materiales. Pero persiste un problema técnico
    y científico, porque los materiales nanométricos se
    producen usando aleado mecánico, obteniéndoles en
    forma de polvos, a los cuales no hay muchos usos que se puedan
    dar. Para producir piezas, los tenemos que compactar y los
    métodos
    normales para compactar polvo involucran aplicación de
    presión
    y temperatura, y
    prácticamente cualquier cristalito que se calienta tiende
    a crecer a expensas de otros, es decir, desaparecen los
    pequeños y se funden con los grandes; entonces el
    calentamiento destruye la estructura
    fina de los cristales. Sin embargo, tuvimos la experiencia de que
    si lo hacíamos de formar controlada, podríamos
    mantener la estructura nanocristalina en el material ya
    compactado. De esta forma, en los últimos años
    hemos estado
    trabajando en producir materiales nanométricos de muchos
    tipos.
    Dentro de las aplicaciones del cobre se
    destacan aquéllas que tienen relación con su
    sobresalientes propiedades eléctricas y térmicas,
    junto con sus buenas propiedades frente a la corrosión; sin embargo sus propiedades
    mecánicas son relativamente bajas. Es por este motivo que
    se han desarrollado una serie de aleaciones de cobre, de alta
    resistencia; sin embargo, desgraciadamente presentan, por regla
    general, conductividades térmica y eléctrica bajas
    en relación a aquéllas del cobre puro. La
    aplicación de estos materiales incluye electrodos para
    soldadura de
    puntos, contactores de alta eficiencia,
    motores
    eléctricos e intercambiadores de calor, partes
    refrigeradas activamente de turbinas de gas y componentes
    interactivos de sistemas de fusión por plasma
    1. Por otra parte, el desarrollo de
    aleaciones en base cobre de alta resistencia a temperaturas
    elevadas es poco promisorio, debido a que los precipitados de
    estas aleaciones, a altas temperaturas, tienen tendencia a la
    coalescencia y/o disolución. Con la finalidad de superar
    estos inconvenientes, se han desarrollado las llamadas aleaciones
    endurecidas por dispersión. Estos materiales presentan una
    combinación única de alta resistencia
    mecánica y altas conductividades eléctrica y
    térmica. Adicionalmente, estas propiedades s se mantienen
    incluso después de exposiciones a temperaturas cercanas al
    punto de fusión del cobre puro. Mediante la adición
    de dispersoides termodinámicamente estables, que no
    coalescen y no se disuelven a temperaturas altas, producen en el
    cobre excelentes propiedades mecánicas. Estas
    partículas deben encontrarse uniformemente distribuidas y
    deben ser lo suficientemente pequeñas para que con
    fracciones volumétricas bajas, el espaciado entre ellas
    produzca un efecto de endurecimiento notable. Las
    partículas finas deben mantener su espaciado y
    tamaño originales a temperaturas altas, parámetros
    topológicos que del proceso de manufactura de
    la aleación. Los métodos comúnmente usados
    en la obtención de aleaciones endurecidas por
    dispersión son, entre otros, mezcla mecánica,
    descomposición de sales, oxidación interna,
    reducción selectiva y, desde 1970, aleación
    mecánica.
    El objetivo es
    estudiar el comportamiento
    mecánico de cobre endurecido por dispersión con
    partículas de alúmina preparado, a
    partir de sus componentes en forma de polvos, por medio de
    aleación mecánica, y posterior consolidación
    mediante extrusión.
     

    2. Aspectos
    Experimentales

    Se usó polvos de cobre del tipo FFC (Norddeutsche
    Affinerie) y alúmina desaglomerada de 1,0 y 0,05 
    m como dispersoide, en proporción de 1, 2 y 5 % en
    volumen. La
    aleación mecánica se realizo en un attritor
    construido en nuestro laboratorio
    6. Los parámetros operacionales, determinados
    con anterioridad, fueron: etanol como líquido de molienda
    y desaglomeración, velocidad de
    rotación del eje del molino 335 r.p.m., razón
    bolas/polvo 1:10 (g/g), diámetro de las bolas 4,76 mm
    (3/16") y tiempo de
    molienda 12 h.
    El contenido original de oxígeno
    de los polvos era de 1.700 ppm; después de la molienda, el
    material presentaba un valor de 8.000
    ppm y, una vez reducido en atmósfera de
    hidrógeno a 873 K durante 3 h, de 300 ppm. Los polvos
    fueron compactados a 100 MPa, luego encapsulados bajo
    vacío (menor de 10 Pa) y extruídos a diferentes
    temperaturas (entre 773 y 1173 K) a una velocidad de
    0,0066 ms-1 con una razón de extrusión
    10:1, obteniéndose barras de 9 4 mm2 de
    sección. Con la finalidad de estudiar el comportamiento
    a temperatura
    alta, se efectuaron recocidos isocrónicos (1 h) a
    temperaturas entre 673 y 1173 K, para luego efectuar las
    mediciones de dureza.
     

    3. Resultados Y
    Discusión

    En la Fig. 1 se presenta una micrografía
    (microscopía electrónica de transmisión) del
    material con una adición de 2 % de alúmina de 0,05
     m. Se observa la presencia de partículas finas de
    alúmina, principalmente en los bordes de grano y subgrano
    como también en el interior de los granos. El
    tamaño de subgrano determinado es de l orden de 0,3 a 0,5
     m.
    Figura 1: Estructura de subgranos en muestra de
    Cobre-2% alúmina, extruída a 1073 K. TEM
    Tal como se puede apreciar en la Fig. 2, el hecho de adicionar un
    dispersoide al cobre, mediante aleado mecánico, provoca un
    grado notable de endurecimiento.
    Es así como una adición de 2 % vol. de
    alúmina de 0,05  m produce un aumento en la dureza
    de 80 HV (cobre puro)a 160 HV (cobre 2 % vol. de alúmina);
    mejores resultados se obtuvo con la adición de un 0,56 %
    en peso de aluminio antes
    de la molienda, con la finalidad de formar la dispersión
    oxídica "in situ" durante la aleación
    mecánica de los polvos. La resistencia al ablandamiento a
    temperaturas altas depende del tipo de dispersoide, como
    también de la ruta de fabricación. Se aprecia que
    el ablandamiento ocurre a partir de los 973 K en el Cu-2% vol.
    Al2O3, en tanto que elCu 0,56% en peso de
    aluminio sólo comienza ablandar a partir de un recocido
    por sobre los 1073 K.
    Figura 2: Curvas de ablandamiento por recocidos de 1 h. Tres de
    los materiales (Cu-0,56%p.Al/700ºC,
    Cu-Al2O3/800ºC y Cu/700ºC) fueron
    aquí preparados por aleado mecánico más
    extrusión;
    se indica la temperatura de extrusión. El cuarto material,
    Cu ETP puro corresponde a Cu macizo .
    El efecto de la cantidad de dispersoide sobre el ablandamiento
    está graficado en la Fig. 3, en donde se presenta el
    comportamiento frente a la exposición
    a alta temperatura de cobre con 1, 2 y 3 % en volumen de
    alúmina. Se aprecia que a medida que la fracción
    volumétrica de dispersoide aumenta, como es de esperar
    3,4, la dureza del material aumenta también.
    Sin embargo, la temperatura a la cual ocurre el ablandamiento es,
    en todos los casos, muy similar.
    Figura 3: Efecto de la cantidad de dispersoide en el cobre, sobre
    el comportamiento al ablandamiento tras exposición
    a distintas temperaturas durante 1 h.
    Como se ha podido demostrar en otros casos, la
    contribución al endurecimiento de estos materiales,
    proviene principalmente del afinamiento del tamaño de
    subgrano. Cálculos preliminares nuestros, basados en la
    aditividad de los diferentes mecanismos de reforzamiento
    participantes4, muestran que el tamaño de
    subgrano en estas aleaciones debe ser del orden de 0,50 
    m. Notar que este resultado analítico es concordante con
    lo observado en la micrografía electrónica de la Fig.1. El hecho que por
    sobre los 873 K el material recién comience a ablandarse,
    se puede asociar al aumento del tamaño de los subgranos y
    no con la coalescencia de las partículas de
    alúmina, que aparentemente conservan su tamaño y distribución.
     

    4. Resumen del mecanismo del aleado
    mecánico

    El proceso involucra la repetida deformación,
    fractura y soldadura continua de las partículas al estar
    sujetas a una molienda constante, hasta llevarlas a
    tamaños submicrométricos propiciando la
    aleación de elementos a niveles atómicos. Se logra
    mediante la utilización de una variedad de elementos de
    molienda (bolas, barras, rodillos, etc.) en molinos tales como
    mezcladoras, agitadores, planetarios, atricionadores,
    vibratorios, horizontales, etc. La molienda puede efectuarse en
    diferentes atmósferas. Durante
    el proceso del aleado mecánico los polvos son expuestos a
    fuerzas de compresión y corte provocadas por los impactos
    del medio de molienda, el proceso se realiza con una soldadura de
    las partículas en seco ocurriendo de esta forma la
    aleación.
    El aleado mecánico se caracteriza generalmente por obtener
    una aleación microestructuralmente homogénea y
    alcanzar tamaños de grano del orden de nanómetros ,
    los cuales repercuten en las propiedades mecánicas del
    producto
    .

    1. Tipo de molienda (molino horizontal de bolas, molino
      atricionador, etc.).
    2. Tipo de medios de
      molienda (acero al
      carbono,
      acero
      inoxidable, entre otros).
    3. Intensidad de molienda (de alta o baja
      energía)
    4. Atmósfera de molienda (gas inerte.
      Reductor, oxidante).
    5. Pureza de los polvos.
    6. Tiempo de molienda.
    7. Temperatura de molienda.
    8. Capacidad del equipo de molienda.
    9. Propiedades de los polvos.
    10. Cantidad de polvo a moler (relación
      másica bolas/polvo)..

    Durante el aleado mecánico el molino de bolas de
    baja energía, el comportamiento de los polvos de la
    aleación (la evolución del tamaño y forma de
    partícula así como el tamaño de grano)
    durante la molienda, se presenta de diferente forma, dependiendo
    de las propiedades de los materiales de la
    aleación.

    5.
    Bibliografía

    Guerrero Paz, Jaime "formación del grano
    nanométrico en los productos de
    aleado mecánico", ESIQIE – IPN. Pp. 2-6
    (1999)

    Web:
    www.cec.uchile.cl]
    www.hemerodigital.unam.mx
    www.geol.uni.erlangen.de
     

     

     

     

     

    Autor:

    Antonio Manning Martin del Campo

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