OBSERVACIÓN MORFOLOGICA DE LA INFILTRACIÓN DE ZIRCONIA EN ALUMINIO CONFORMADO POR PULVIMETALURGIA

Rosalba Fuentes1, Margarita Reyes2, Alejandro Pérez1 y José Ramírez1

(1) Facultad de Química, U. de Gto, (2) Instituto de Geología, UNAM.

 

Resumen

Se compara la morfología de  polvo de Al, polvo de Al compactado, polvo de Al compactado y sinterizado y material compuesto de matriz de aluminio reforzado con zirconia.

 

Antecedentes

La Pulvimetalurgia o Metalurgia de Polvos es un proceso de fabricación de piezas a partir de polvos finos, en el cual se efectúan, una compactación para darles una forma determinada (compactado) y un calentamiento en atmósfera controlada (sinterizado). Este proceso es adecuado para la fabricación de grandes series de piezas pequeñas de gran precisión, para materiales o mezclas poco comunes y para controlar el grado de porosidad o permeabilidad. Algunos productos típicos son: rodamientos, árboles de levas, herramientas de corte, segmentos de pistones, guías de válvulas, filtros, etc.

La obtención de los polvos generalmente se realiza de metales puros, principalmente hierro, cobre, estaño, aluminio, níquel y titanio, aleaciones como latones, bronces, aceros y aceros inoxidables o polvos pre-aleados. Procesos típicos son: Atomización en Estado Líquido (el metal fundido se vierte a través de un embudo refractario en una cámara de atomización, haciéndole pasar a través de chorros de agua pulverizada), Atomización con Electrodo Fungible (electrólisis), Reducción de Óxidos Metálicos, Pulverización Mecánica, y Condensación de Vapores Metálicos.

Compactación en Frío. El polvo suelto se comprime mediante prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz, resultando una forma que se conoce como pieza en verde o compactado crudo. Las prensas más utilizadas son uniaxiales, en las que la presión se aplica al polvo en una sola dirección. Mediante compactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica. Un inconveniente de la compactación uniaxial es la baja relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la pieza y las zonas más próximas al punzón. Para obtener un compacto con mayor densidad se emplean prensas de doble émbolo.

 

Existen otras variantes de la compactación como por ejemplo el Prensado Isostático en Frío. Es un método de compactación que se realiza encerrando herméticamente el polvo en moldes elásticos típicamente de goma, látex o PVC, aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que puede ser agua o aceite. Las piezas en verde obtenidas por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas. Una de las principales ventajas de este método de compactación es la alta relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas con respecto a la compactación uniaxial. Es un método muy utilizado para la compactación de piezas cerámicas.

Sinterizado. Consiste en mantener durante un tiempo determinado el calentamiento a una temperatura en torno al 75% de la de fusión de la sustancia, en un horno con atmósfera controlada, para evitar la rápida oxidación. Se emplean atmósferas reductoras de hidrógeno, amoníaco disociado y nitrógeno.

Variantes: Prensado Isostático en Caliente. La compactación y el sinterizado se realizan en una única etapa encerrando herméticamente el polvo en un recipiente flexible y exponiéndolo seguidamente a alta temperatura y presión. Los productos obtenidos por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas. Pueden obtenerse valores elevados de densidad en las piezas debido a la baja porosidad residual que queda en las piezas tras el proceso, con valores en muchos casos superiores a la densidad teórica del material completamente denso (sin porosidad).

 

Ventajas e inconvenientes de la Pulvimetalurgia.

A FAVOR

EN CONTRA

·         No se desperdicia material.

·         Precisión dimensional y buen acabado.

·         Tiempo de fabricación corto y costos reducidos.

·         Piezas imposibles por otros medios: porosidad controlada, mezcla de metales y no metales (cerámicos).

  • Elevado costo de las matrices de compactación.

·         Características mecánicas inferiores debido a la porosidad del material.

·         Limitaciones de diseño: sección uniforme en la dirección de compactado, esbeltez limitada, etc.

 

Aluminio por Pulvimetalurgia

Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad del calor, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna. Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. La resistencia del aluminio a la corrosión por el agua del mar también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos. El aluminio puro es blando y frágil, pero sus aleaciones con pequeñas cantidades de cobre, manganeso, silicio, magnesio y otros elementos presentan una gran variedad de características adecuadas para las más diversas aplicaciones. El aluminio no cambia sus características químicas durante el reciclado. El proceso se puede repetir indefinidamente y los objetos de aluminio se pueden fabricar enteramente con material reciclado. Si se utiliza aluminio recuperado en el proceso de fabricación, se logra un ahorro de energía del 95% en comparación al empleo de materia prima virgen (bauxita).

Los Al-MMCs (materiales compuestos de matriz metálica de aluminio) son un grupo de materiales con gran potencial en una amplia gama de aplicaciones estructurales, tribológicas y térmicas. Algunos Al-MMCs son capaces de proporcionar mayores límites de temperaturas de operación que sus contrapartes producidas con la aleación base y pueden fabricarse para proporcionar combinaciones adecuadas de resistencia, rigidez, conductividad térmica, resistencia a la abrasión, resistencia a la termofluencia, estabilidad dimensional, etc.

El principio de la incorporación de una segunda fase de alto desempeño en un material ingenieril convencional, consiste en producir una combinación de propiedades que no podrían obtenerse con los constituyentes originales. En un Al-MMC, la fase continua o matriz es una aleación de aluminio monolítica de una o varias fases y el refuerzo lo constituyen adiciones de materiales generalmente cerámicos. Las partículas representan los refuerzos más simples en función de su geometría; son relativamente baratas, y presentan morfologías diversas. Las propiedades de los Al-MMCs resultantes pueden llegar a ser isotrópicas y deben ser significativamente mejores que las del metal matriz sin refuerzo. Se han empleado refuerzos como alúmina, mica, carburo de silicio y arcilla, zirconia, grafito y cenizas volantes.

El aluminio sinterizado presenta la ventaja de no variar sensiblemente sus características, ni siquiera después de un calentamiento prolongado a 600° C. Las elevaciones repetidas de temperatura no arrastran la recristalización y el compuesto prácticamente no se modifica. La resistencia a la fluencia del aluminio sinterizado en la región 300-400° C es notable. La resistencia a la fatiga del aluminio sinterizado, por el contrario, es bastante baja.

El óxido de zirconio o zirconia puede existir como tres polimorfos diferentes bien definidos: los monocíclicos, los tetragonales y las fases cúbicas. La fase monocíclica es la forma a temperatura ambiente y es estable hasta aproximadamente 1170 °C (2140 °F). A esta temperatura se transforma en la fase tetragonal en la cual estará estable hasta
~2370 °C (4300 °F). El óxido de zirconio se usa en industrias como producción de vidrio, hasta las producciones de turbinas de aviones entre otras. La zirconia monoclínica juega un papel importante en la fabricación de colores cerámicos y componentes electrónicos. También se usa en el sinterizado como un aditivo para reforzar las propiedades de otros refractarios óxidos. Es particularmente ventajoso cuando se agregó a los cuerpos de magnesio, y contribuye a las características abrasivas cuando se agregó a la alúmina. Estos materiales generalmente se usan para las aplicaciones refractarias como ladrillos, espumas o lanas cerámicas. También pueden usarse como cruciformes o filtros ya que son resistentes al ataque de la mayoría de los metales fundidos. La dureza y resistencia de la cerámica de zirconia la hace una opción excelente en aplicaciones como los troqueles de la extrusión, en la molienda, los recubrimientos cerámicos, asientos de válvulas, guías, partes mecánicas y los injertos médicos.

 

Metodología

Compactación

Las probetas se conformaron usando polvo fino de aluminio de tamaño menor a 100 micras. El polvo se compactó en frío en una prensa hidráulica ERKCO PH-21, de la siguiente manera: primero se llenó por gravedad la cavidad de un  molde con una determinada cantidad de polvo, se aplicó una presión de 6 toneladas, definida inicialmente para obtener una buena porosidad pero que le permita a la pieza una buena manipulación. Se obtuvieron piezas cilíndricas de 2 cm de diámetro y 0.7 cm de altura en promedio y cuya masa compactada es suficientemente fuerte para resistir manejos ordinarios. La prensa hidráulica para la compactación utiliza presión en sentido perpendicular a la sección proyectada de la pieza a temperatura ambiente.

 

Infiltración

Para la infiltración se utilizó Bacote 20 (carbonato amoniatado de zirconio), que es el precursor de zirconia. Es una solución alcalina transparente, con un olor amoniacal y contiene aproximadamente el 20% en peso de ZrO2. El producto contiene polímeros aniónicos de zirconio hidroxilado. La evaporación causa la descomposición con pérdida de amoníaco y dióxido de carbono. El bacote 20 es estable a temperatura ambiente por lo menos 12 meses, en un contenedor sellado y puede ser usado en el rango de temperaturas de 0 a 70 °C. La dilución de la solución de bacote 20 reduce la estabilidad tanto a temperatura ambiente como a elevadas temperaturas. Gravedad especifica 1.36, viscosidad a 25°C de 5 cps y Ph de 9.2. El bacote 20 seco al someterse a tratamiento térmico, presenta fases cristalinas de zirconia a bajas temperaturas, comenzado a formarse éstas a 450°C.

Las probetas compactadas, se sumergieron en vasos de precipitados que contenían bacote 20. Las partículas coloidales en solución penetran por los poros de la probeta de aluminio. La infiltración de probetas de polvos compactados a 6 toneladas de presión, se realiza mediante 4 inmersiones en la solución (seguidas de un secado en cada ocasión).

Sinterización

Después de la compactación e infiltración, las probetas se sinterizaron. El sinterizado es un tratamiento térmico a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal, aplicado con el fin de provocar la aglomeración entre partículas. Constituye el último paso del proceso de fabricación por pulvimetalurgia y determina las propiedades finales del material. La fuerza impulsora para la sinterización es la disminución de la energía libre de partículas lo que da lugar al crecimiento, contracción del poro y disminución superficial del agregado. La sinterización de las piezas se hizo a una temperatura que osciló entre 2/3 y 4/5 de la temperatura de fusión, procediéndose de la manera siguiente: un calentamiento a 200 °C durante 1 hora y a 610 °C durante 3 horas. Los tratamientos de sinterización se efectuaron en una mufla Barnstead Thermolyne 1400. 

Microscopia electrónica de Barrido.

En el microscopio electrónico, un haz de electrones incide sobre una muestra y de la interacción de estos electrones con los átomos de la misma, surgen señales que son captadas por algún detector o bien, proyectadas directamente sobre una pantalla.

Dentro de la familia de microscopios electrónicos, se encuentran el microscopio electrónico de transmisión (TEM) y el microscopio electrónico de barrido (SEM). El (SEM)  provee información sobre morfología y características de la superficie, mientras que con el TEM podemos observar la estructura interna y detalles ultraestructurales. Las micrografías se tomaron en un Microscopio Electrónico de Barrido Jeol JSM-35C.

 

 

 

 

 

 

Resultados

En la figura 1 se observa en una micrografía de SEM el polvo de aluminio utilizado para formar el material compuesto. La forma del polvo es irregular. El polvo de aluminio de ALMEX S.A. de C.V., posee una densidad de 2.7 gr/cc y su composición química es 99.93% de aluminio, 0.0015% de Zn, 0.015% de Fe, 0.0017% de Mg, 0.0026 Ni, 0.0035 Pb y 0.0013 de Cu.                                                                                                          

Compactación

Las probetas fueron hechas con polvo fino de aluminio de tamaño menor a 100 micrones. El polvo se compactó en frío en una prensa hidráulica ERKCO PH-21, en forma de  piezas cilíndricas de 2 centímetros de diámetro y 0.7 centímetros de altura. Los polvos de aluminio utilizados poseían una distribución amplia de tamaños. El polvo compactado se presenta en la figura 2, que es una micrografía por microscopía de SEM, donde se observa el acomodo del polvo después de la compactación.   

 

Infiltración

Las probetas de polvo de aluminio compactado fueron sumergidas en la solución de bacote 20, la solución penetró por la porosidad interconectada, geló y secó. A la presión de 6 toneladas se tuvo la más alta infiltración después de 3 ó 4 inmersiones.
 

Sinterización

El Sinterizado es la fase de la Pulvimetalurgia que sirve para soldar los polvos. En la figura 3 se tomó una micrografía de SEM para polvos de aluminio compactados y sinterizados. Se infiltraron también las piezas compactadas a 6 toneladas y luego se sinterizaron, para posteriormente ser fracturadas para observar la manera en la cual se introdujo el gel. La sinterización constituye el último paso del proceso de fabricación por Pulvimetalurgia y determina las propiedades finales del material. La sinterización de las piezas se hizo a 610 °C en una mufla Barnstead Thermolyne 1400.

 

 

Material compuesto aluminio-zirconia.

Se tomaron micrografías del compósito Aluminio–zirconio. En la figura 4 se observa que la zirconia ocupa los poros en la probeta, además un análisis de microsonda nos muestra los picos característicos para aluminio y para zirconia.

El Bacote 20 presente fases cristalinas a bajas temperaturas, esto es menores a 600
°C esto es importante debido a que el momento de sinterizar la pieza compactada de polvo de aluminio,  las fases de zirconia infiltrada en la pieza tienen una estructura mezclada de fase monoclínica y tetragonal a bajas temperaturas.

       

 

Conclusiones

 

1.      La metalurgia de polvos consiste en una serie de procesos que, ordenados y controlados, permiten alta producción de piezas mecánicas de buena calidad.

2.       El acabado del compactado depende entonces de la calidad del dado y del tamaño de los polvos.

3.      La sinterización es un proceso que, mediante una combinación de diferentes mecanismos de trasporte, permite la unión entre las partículas de polvo. Por esto, la temperatura, al activar o acelerar estos mecanismos, producen la sinterización.

4.      Es posible observar a simple vista la reducción de las porosidades y corroborarla por medio del microscopio. Por lo tanto, de las dos maneras es posible determinar que se sinterizó tanto la pieza de aluminio puro como la pieza de Al-MMC reforzado con zirconia.

5.      La zirconia permitirá aumentar la resistencia al desgaste en la respuesta del aluminio.

Bibliografía

Coca P., Manual del Aluminio, 2da. Edición, Editorial Reverté S.A., Barcelona España (1992).

German, Randall M. Sintering Theory and Practice. John Wiley&Sons, Inc. USA. 1996.

Fuentes R., Rubio E., Reyes V. y Castaño V. M. Acta Universitaria: 13 (3) 39-46 (2003).

Fuentes Rosalba, et al., Revista CIT - Información Tecnológica 17 (3), 2006.

Ruiz, J.M., García L., Torralba J.M. y Velasco F., Manual de Pulvimetalurgia, Editado bajo los auspicios de la Cátedra Höganäs de Pulvimetalurgia de la Universidad Carlos III de Madrid, Madrid España (1999).

 

<Anterior

Menú

Siguiente>