Indice1. 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