Indice
1.
Introducción
2. Aspectos
Experimentales
3. Resultados Y
Discusión
4. Resumen del mecanismo del aleado
mecánico
5. Bibliografía
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.
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.
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
.
- Tipo de molienda (molino horizontal de bolas, molino
atricionador, etc.). - Tipo de medios de
molienda (acero al
carbono,
acero
inoxidable, entre otros). - Intensidad de molienda (de alta o baja
energía) - Atmósfera de molienda (gas inerte.
Reductor, oxidante). - Pureza de los polvos.
- Tiempo de molienda.
- Temperatura de molienda.
- Capacidad del equipo de molienda.
- Propiedades de los polvos.
- 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.
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