4 resultados y discusiÓn 4. resultados y...

4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4. Resultados y Discusión

Capítulo IV

101

4.1 ASPECTOS PRELIMINARES

Este capítulo comienza por la caracterización de los materiales de partida

empleados, incluyendo las especificaciones y propiedades suministradas por los

fabricantes.

Seguidamente, se mostrará la nomenclatura empleada para designar las diferentes

experiencias realizadas.

A continuación se describirán detalladamente las experiencias realizadas y se

procederá al análisis y discusión de los resultados experimentales obtenidos.

La parte experimental se dividirá en dos grandes bloques. En el primero se estudiará

la combinación de aluminio con amoniaco y sus posibles proporciones. En el

segundo se analizará el efecto de añadir Cu a algunos de los materiales conseguidos

en el anterior bloque.

4.2 MATERIAS PRIMAS. CARACTERIZACIÓN

4.2.1 ALUMINIO

El polvo de aluminio empleado como material de partida (Al ER) para todas las

experiencias fue suministrado por la empresa alemana ECKART-WERKE. Su

denominación comercial es Eckart Aluminium AS-61 y se obtiene mediante

atomización, usando aire comprimido, de aluminio fundido. El fabricante asegura

una pureza superior al 99.7 % y que, además, dicho material cumple con la

especificación DIN 1712/1 sobre aluminio de pureza comercial (Tabla 4.1).

Tabla 4.1. Contenidos máximos de impurezas según DIN 1712/1.

ELEMENTO CANTIDAD MAX.,

(%)

Si 0.25

Fe 0.35

Zn 0.05

Cu 0.02

Ti 0.02

Otros (individuo) 0.03

Otros (total) 0.50

Resultados y Discusión

102

Con el propósito de verificar los datos anteriores se analizaron por vía húmeda en el

CENIM, determinándose que la mayor impureza es el Fe, presente en el 0.25%. Las

cantidades del resto de elementos son despreciables y ajustadas a la norma anterior.

4.2.1.1 GRANULOMETRÍA

En la Fig 4.1 se muestran los valores obtenidos del estudio granulométrico del

polvo mediante un analizador láser (apartado 3.5.1.7). Prácticamente la totalidad de

las partículas, el 89.3 %, tienen un tamaño menor de 138 µm. El rango de tamaños

de partícula está comprendido, principalmente, entre 15 µm y 200 µm, dando como

resultado un tamaño medio de partícula de 80.46 µm.

Fig 4.1. Porcentaje de partículas en volumen en función de diferentes intervalos de tamaños.

4.2.1.2 OTRAS PROPIEDADES PULVIMETALÚRGICAS

Para completar el estudio del polvo de aluminio se han determinado otras

propiedades interesantes desde el punto de vista pulvimetalúrgico como son la

fluidez del material, densidad aparente, densidad de golpeo y dureza (Tabla 4.2).

0123456789

1011

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

Vo

lum

en, %

Tamaño de partícula, µm

Al ER

Tabla

PROPIEDAD

Forma de las partículas

Densidad absoluta

Densidad aparente, g/cm

Densidad de golpeo, g/cm

Fluidez

La observación microscópica del

irregular, pero de superficies poco abruptas. La irregularidad de las partículas es

responsable de la nula fluidez del polvo.

Fig

4.2.1.3 COMPRESIBILIDAD DEL POLVO

En la Fig 4.3 se muestra la curva de compresibilidad de est

como la densidad relativa en verde (D1) frente a la presión de compactación

aplicada. La dureza, relativamente, baja del material, queda patente por el hecho de

que basta aplicarle una presión

densidad absoluta.

103

Tabla 4.2. Propiedades pulvimetalúrgicas del Al ER.

PROPIEDAD VALOR

Forma de las partículas Irregular

Densidad absoluta 2.7 g/cm3

Densidad aparente, g/cm3 (%) 0.97 (35.9)

Densidad de golpeo, g/cm3 (%) 1.5 (55.5)

Fluidez No fluye libremente

La observación microscópica del polvo, Fig 4.2, muestra partículas de morfología


responsable de la nula fluidez del polvo.

Fig 4.2. Micrografías SEM-SE del polvo Al ER.

COMPRESIBILIDAD DEL POLVO

se muestra la curva de compresibilidad de este polvo, representada



que basta aplicarle una presión de 180 MPa, para que alcance el 90

Capítulo IV

muestra partículas de morfología


e polvo, representada



MPa, para que alcance el 90 % de su


104

Fig 4.3. Densidad relativa del Al ER en función de la presión de compactación aplicada.

4.2.2 AMONIACO

Se empleará como atmósfera de molienda amoniaco en flujo con el fin de

descomponerlo durante la misma y así incorporar nitruros en la matriz de aluminio.

Estos nitruros dispersos podrían mejorar notablemente las propiedades mecánicas

del aluminio.

El gas ha sido suministrado por la división Alphagaz de la empresa AIR LIQUIDE.

Su pureza queda patente por la distinción de calidad N 36, la cual asegura una

pureza >99.96%. La principal impurificación que aparece es la humedad, presente

en 200 ppm.

Los datos físicos y químicos más relevantes, de entre las aportadas por el fabricante,

se detallan en la Tabla 4.3.

De estos datos se extrae que el amoniaco es un gas que debe ser tratado con mucha

precaución por su elevada toxicidad. Además requiere instalaciones muy costosas

para su uso debido a su alto poder de corrosión. Estas características obligan a tener

muy en cuenta los siguientes aspectos relacionados con la seguridad y su

manipulación:

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Presión (MPa)

D1

(%)

Capítulo IV

105

• Puede reaccionar violentamente con materias oxidantes.

• Puede reaccionar violentamente con ácidos.

• Reacciona con agua para formar álcalis corrosivos.

• Puede causar inflamación en las vías respiratorias y en la piel.

• La inhalación en grandes cantidades conlleva a espasmos pulmonares,

edemas laríngeos y formación de pseudomembranas.

Tabla 4.3. Propiedades características del amoniaco.

PROPIEDAD RESULTADO

Peso molecular, g/mol 17

Temperatura de fusión, ºC -77

Temperatura de ebullición, ºC -33

Temperatura crítica, ºC 132

Densidad relativa del gas (aire = 1) 0.6

Densidad relativa del líquido (agua = 1) 0.7

Solubilidad en agua Se hidroliza

Apariencia y color Incoloro

Olor Amoniacal, sofocante

Tóxico TLV 25 ppm

Corrosivo Si

Límite de inflamabilidad en el aire, % 15-27

•

Los usos habituales del amoniaco pueden resumirse en:

• Revelador en reprografía.

• Síntesis química.

• Agente nitrurante.

• Fluido frigorífico.


106

Además, hay que señalar que a pesar de tratarse de un gas con límites de

inflamabilidad en el aire entre el 15 y el 27% es difícil que entre en ignición, por lo

cual, según la normativa, se considera como un gas no inflamable.

4.2.3 CERA EN POLVO

Como agente controlador del proceso (ACP) y para lubricación de las paredes de las

matrices en el proceso de prensado se ha utilizado una cera orgánica micropolvo

(etilen bis-estearamida) de CLARIANT.

El agente controlador del proceso de molienda es uno de los factores importantes

que intervienen en el aleado mecánico de polvos. Al recubrir los polvos con cera se

dificulta la soldadura tanto entre partículas como entre partículas y pared de la

vasija. De este modo, favoreciendo o limitando los procesos de fractura y soldadura

durante la molienda, se ayuda a controlar el tamaño medio de partícula de los

polvos molidos.

Además de controlar el equilibrio fractura-soldadura de los polvos durante el aleado

mecánico, la cera también se empleó como lubricante durante su compactación.

Para ello, se aplicó en suspensión con acetona sobre las paredes de la matriz de

prensado.

Tabla 4.4. Características de la cera.

PROPIEDAD VALOR

Densidad a 20 ºC, g/cm3 1

Densidad aparente, g/cm3 0.3

Tamaño máximo, µm 40

Tamaño medio, µm 15

Composición química H35C17CONHC2H4NHCOC17H35

Comportamiento termogravimétrico a 500ºC, %

100

La cera utilizada se emplea mucho en la pulvimetalurgia convencional, por sus

buenas propiedades como lubricante y porque se quema en su totalidad por debajo

de 500 ºC sin depositarse en las paredes del horno o en otros conductos.

Capítulo IV

107

En la Tabla 4.4 se muestra la composición y principales propiedades de la cera

empleada.

4.2.4 COBRE

El polvo de cobre empleado para las experiencias ha sido suministrado por la

empresa ECKART WERKE. Su denominación comercial es ECKART Copper CH-

L 10. El fabricante ha suministrado información referente al polvo, mostrada en la

Tabla 4.5.

Tabla 4.5.Propiedades suministradas por el fabricante.

PROPIEDAD VALOR

Densidad aparente, g/cm3 (%) 0.9-1.1 (10.6-12.3)

Superficie específica, m2/g 0.2-0.25

Tamaño partícula <45 µm, % < 5

Punto fusión, ºC 1083

Punto ebullición, ºC 2595

Se fabrica disolviendo cátodos de cobre de alta pureza en un baño de ácido sulfúrico

por medio de corriente continua.


La medida granulométrica, se recoge en la Fig 4.4 El tamaño medio de partícula es

de 31.3 µm, encontrándose el 90 % de ellas por debajo de los 63 µm.


108

Fig 4.4. Porcentaje de partículas de cobre, en volumen, en función de diferentes intervalos de tamaños. Representación gráfica.

4.3 DESIGNACIÓN DE EXPERIENCIAS

Las moliendas serán identificadas mediante una designación sencilla que permite

conocer las condiciones con las que se han realizado.

Es conveniente saber que todas las moliendas se han hecho con una carga total de

72 g de los cuales 69.84 g son de Al y 2.16 g (3%) de cera EBS. Asimismo la

temperatura de refrigeración ha sido la misma en las distintas moliendas, 28ºC.

La estructura de la designación de las moliendas es la siguiente:

MA aV+bA Cc d

donde a es el número de horas de molienda en vacio.

b es el número de horas de molienda en flujo de amoniaco.

c es el caudal (en nuestro caso siempre c=1 cm3/s).

d son las revoluciones por minuto del molino (en este caso siempre d=500

rpm).

Capítulo IV

109

Por ejemplo, la designación MA 3V+2A C1 500 se refiere a un polvo que ha sido

molido durante tres horas en vacio y dos con flujo de amoniaco (1 cm3/s) a 500 rpm.

Para el caso de compactos, a la estructura de designación anterior se añaden las

características básicas del procesado de consolidación:

MA aV+bA Cc d Pe Sf

donde e indica la presión de compactación (en este caso siempre e=850 MPa).

f indica la temperatura de sinterización (el tiempo de sinterización siempre

ha sido de 1 h).

De este modo, MA 3V+2A C1 500 P850 S650 es un conjunto de polvo del ejemplo

anterior que ha sido prensado en frío a 850 MPa y sinterizado en vacío (5 Pa) a

650°C durante 1h.

4.4 PROCESADO DE POLVO DE ALUMINIO MOLIDO EN

FLUJO DE AMONIACO

4.4.1 INTRODUCCIÓN

La molienda mecánica de polvos, como consecuencia de los cambios que produce

en la granulometría, morfología y estructura interna de las partículas, también

modifica la reactividad de éstas. En consecuencia, si la molienda se lleva a cabo en

presencia de ciertas especies químicas pueden formarse soluciones sólidas

sobresaturadas o compuestos.

La incorporación de nitrógeno a la matriz de aluminio elemental en forma de

nitruros implica un endurecimiento del material por dispersión. Dado que el

amoníaco es más reactivo que el nitrógeno, se ha optado por realizar las moliendas

en atmósfera de amoníaco gaseoso en flujo.


110

Estudios anteriores han demostrado que la aplicación de flujo de amoniaco durante

toda la molienda produce polvos con problemas para su posterior compactación y

consolidación, generando muchos problemas en la etapa de sinterizado.

Debido a ello, en las moliendas realizadas no se ha aplicado el flujo de amoniaco

durante todo el tiempo, sino que se han dividido en dos fases: un intervalo de

tiempo en el cuál se realiza la molienda con dicho flujo y otro en el que la molienda

se realiza en vacío.

4.4.2 JUSTIFICACIÓN DEL ORDEN DE APLICACIÓN DEL FLUJO

DE AMONIACO

El proceso descrito anteriormente y en el cual se basa este proyecto, puede presentar

dos posibilidades que se explican a continuación:

a) Aplicar el flujo de amoniaco al comienzo de la molienda y luego hacer vacio en

el resto de horas de molienda.

b) Aplicar el flujo de amoniaco al final tras las horas oportunas de molienda en

vacio.

En este apartado se tratará de justificar cuál de los dos procedimientos presenta

mejores resultados. Para ello se han realizado dos moliendas de cada tipo y se han

medido los valores de densidad relativa, dureza y resistencia a tracción de los

compactos realizados.

Las moliendas realizadas se detallan en la Tabla 4.6 que se muestra a continuación :

Tabla 4.6. Designación y condiciones de las moliendas.

DESIGNACIÓN MOLIENDA ATMÓSFERA TIEMPO (h) Velocidad del

rótor, rpm VACIO NH3

MA 1A+4V C1 500 Amoniaco y Vacío 4 1 500 MA 2A+3V C1 500 Amoniaco y Vacío 3 2 500 MA 4V+1A C1 500 Vacío y Amoniaco 4 1 500 MA 3V+2A C1 500 Vacío y Amoniaco 3 2 500

Capítulo IV

111

Como se muestra en la Tabla anterior todas las moliendas se han realizado en las

mismas condiciones de operación (caudal de amoniaco, tiempo de molienda y rpm

del molino).

A continuación se presentarán las medidas realizadas a los distintos compactos y se

compararán para los dos tipos de moliendas analizadas. Para poder comparar los

resultados, las condiciones de consolidación deberán ser idénticas. Se ha decidido

prensar todos los compactos a 850 MPa y sinterizarlos en vacío (5 Pa) a 650°C

durante 1 h.

Las propiedades de los compactos se han determinado tanto tras el prensado como

tras la sinterización.

4.4.2.1 DENSIDAD RELATIVA

En la Tabla 4.7 y en la Fig 4.5 se muestran los valores de densidad relativa para

ambos procedimientos de molienda. Dado que las condiciones de consolidación son

comunes a todos los compactos (P850 S650) se ha obviado esta parte de la

designación en las figuras.

Tabla 4.7. Densidad relativa de los compactos cilíndricos.

Compactos Densidad relativa (%)

Prensado Sinterizado

MA 1A+4V C1 500 P850 S650 92.1 94

MA 2A+3V C1 500 P850 S650 91 92.8

MA 4V+1A C1 500 P850 S650 88.8 89.8

MA 3V+2A C1 500 P850 S650 86.4 88.5


112

Fig 4.5 Valores de densidad relativa de los compactos.

En estudios anteriores realizados en el Grupo de investigación a estos polvos, se ha

constatado que la cantidad de N incorporado al Al es mayor en el caso de realizar

las moliendas comenzando por vacío y terminándolas en flujo de amoniaco. La

mayor dureza de estos polvos (debida en verde a la mayor proporción de N en

solución) condiciona que se obtengan menores densidades relativas tras el prensado.

Se observa que en los compactos prensados la densidad relativa alcanza valores

mayores en los casos de polvos molidos con la secuencia NH3-Vacío, posiblemente

debido a su menor capacidad para incorporar nitrógeno durante el aleado. Esto

supone que los polvos serán menos duros que si la molienda sigue el esquema

Vacío-NH3, permitiendo una mayor deformación en el prensado.

Para los compactos sinterizados la densidad relativa toma, todos los casos, valores

próximos a los de prensados (baja sinterabilidad). Puede comprobarse en la Tabla

4.7 que la diferencia es, para todos los compactos, del orden del 2%.

4.4.2.2 DUREZA

En la Tabla 4.8 se muestran los valores de dureza de los compactos antes y después

del sinterizado para los dos grupos de moliendas realizadas.

Capítulo IV

113

Tabla 4.8. Dureza en verde y tras sinterizado de los compactos.

Compactos Dureza (HB10)

Prensado Sinterizado

MA 1A+4V C1 500 P850 S650 102 134

MA 2A+3V C1 500 P850 S650 105 161

MA 4V+1A C1 500 P850 S650 97 151

MA 3V+2A C1 500 P850 S650 99 181

Fig 4.6. Valores de dureza de los compactos.

En la Fig 4.6 se observa que en los compactos en verde la dureza es mayor en los

obtenidos aplicando vacío al final. Esta tendencia se debe al hecho de que en las

moliendas con vacío al final, como se indicó para la densidad relativa, la cantidad

de nitrógeno incorporado es menor que para el caso de aplicarse el flujo al inicio del

proceso. Esto provoca que los polvos sean más blandos, lo que implica una mayor

deformabilidad de los mismos. En consecuencia, el prensado será más efectivo,

alcanzándose una mayor densidad, lo cual incrementa la dureza global de los

compactos en verde.

Sin embargo, cuando se sinterizan los compactos, la situación se invierte, ya que

tras el tratamiento térmico, el N y Al se combinan formando AlN y Al5O6N. La

proporción de estas fases duras es superior en el caso de usar polvos molidos en

vacío-NH3, y es por ello por lo que la dureza de estos compactos es muy superior,

incluso aunque la densidad relativa sea inferior. Basta comparar, por ejemplo los


114

181 HB de los compactos MA 3V+2A (D= 88.5%) con los 161 HB de los MA

2A+3V (D=92.8%).

Además, a mayor exposición al flujo de amoniaco, mayor dureza tiene el polvo y

por lo tanto mayor dureza poseen los compactos sinterizados. Incrementando el

tiempo de flujo en amoniaco en tan solo 1h, se consigue subir la dureza de los

compactos sinterizados unas 30 unidades HB (151 frente a 181 HB, para compactos

MA 4V+1A y MA 3V+2A, respectivamente).

4.4.2.3 PROPIEDADES A TRACCIÓN

En este apartado se indica el comportamiento a tracción que ofrecen los distintos

compactos para ambos procedimientos. Dichos valores se muestran en la Tabla 4.9.

Hay que recalcar que los ensayos a tracción no se han podido realizar correctamente

en su totalidad, ocasionándose muchos problemas durante la realización de los

mismos. La alta dureza de los especímenes provoca que haya problemas con la

experimentación (dificultades con la máquina de ensayo y sus mordazas). Por ello,

ha sido necesario ensayar varias series de compactos para obtener valores fiables.

Tabla 4.9. Resistencia a tracción y alargamiento a la rotura de los compactos sinterizados.

Compactos Resistencia (MPa) Alargamiento (%)

MA 1A+4V C1 500 P850 S650 280 0.46

MA 2A+3V C1 500 P850 S650 98 0.61

MA 4V+1A C1 500 P850 S650 219 0.33

MA 3V+2A C1 500 P850 S650 96 0.54

Ateniendose a los resultados que se han podido obtener se puede ver que la

resistencia a tracción en los compactos de polvo molido inicialmente en vacío es

menor que en los de polvo molido inicialmente en flujo de amoniaco.

Como se comentó en la dureza, la cantidad de dispersoides formada es mayor

cuando el flujo de gas se aplica al final del proceso. La mayor dureza del compacto

unida a la baja sinterabilidad produce que sus propiedades a tracción sean inferiores

(219 MPa frente a 280 MPa para compactos MA 4V+1A y MA 1A+4V,

respectivamente)

Capítulo IV

115

En cuanto al alargamiento, únicamente puede indicarse que es muy bajo en todos

los casos.

4.4.2.4 CONCLUSIONES

Tras el análisis realizado pueden extraerse algunas conclusiones que se muestran a

continuación:

1) Aplicando el flujo de gas al final del proceso se obtiene un material con densidad

menor que aplicando el flujo al principio.

2) En cuanto a la dureza, los mejores resultados tras el sinterizado se obtienen en los

compactos realizados a partir de los polvos resultantes de las moliendas donde el

flujo de gas se introduce al final.

3) Los resultados a tracción indican también que el material resiste un mayor valor a

tracción aplicando el flujo de amoniaco al inicio.

4.4.3 CARACTERÍSTICAS DEL POLVO MOLIDO EN

COMBINACIÓN DE VACÍO Y NH 3

4.4.3.1 INTRODUCCIÓN

Teniendo en cuenta las conclusiones del apartado anterior, se ha optado, a partir de

este instante, por realizar las moliendas de modo que se utiliza vacío en el inicio y

se concluye empleando un flujo de amoniaco de 1 cm3/s.

Con objeto de estudiar el efecto que el tiempo de flujo de amoniaco tiene sobre las

propiedades de los compactos, se han realizado cuatro tipos de moliendas (Tabla

4.10) en las que el tiempo de exposición al NH3 se va variando.


116

Tabla 4.10. Designación y condiciones de moliendas.

DESIGNACIÓN MOLIENDA ATMÓSFERA TIEMPO (h) Velocidad del

rótor, rpm VACIO NH3

MA 4V+1A C1 500 Vacío y Amoniaco 4 1 500 MA 3V+2A C1 500 Vacío y Amoniaco 3 2 500 MA 2V+3A C1 500 Vacío y Amoniaco 2 3 500 MA 1V+4A C1 500 Vacío y Amoniaco 1 4 500

Con el fin de caracterizar los polvos se han medido una serie de propiedades tales

como densidad, compresibilidad y granulometría. Además se han fabricado

compactos para medir algunas de sus propiedades como densidades, dureza y

resistencia a tracción.


A partir del análisis granulométrico se puede apreciar la distribución del tamaño de

partícula de las muestras obtenidas, representando el porcentaje en volumen

correspondiente a cada intervalo de tamaño. En la Fig 4.7 se recogen las

distribuciones granulométricas de los polvos obtenidos en cada molienda, la del

aluminio en estado de recepción (Al ER) y la distribución granulométrica de los

polvos resultantes de una molienda de 5h de duración y vacío como atmósfera (MA

5V).

Capítulo IV

117

Fig 4.7. Granulometrías del aluminio en estado de recepción y de las muestras molidas.

En la Fig 4.7. se aprecia claramente, y como era de esperar, que el tamaño de

partícula disminuye al moler el polvo durante 5 horas si se compara con el tamaño

del aluminio en estado de recepción. Además, se puede ver que el tamaño de

partículas disminuye conforme el tiempo de exposición de la molienda al flujo de

amoníaco aumenta. Esto puede deberse a que el amoniaco al disociarse, durante el

proceso de aleado mecánico, en nitrógeno e hidrógeno, se incorpora en solución

sólida a la red de aluminio dando lugar a un endurecimiento del polvo. Este

fenómeno, asociado con una energía de molienda elevada, puede ser responsable de

esa disminución de tamaño.

Además se aprecia que las curvas de los polvos molidos en presencia de amoníaco

son más aplanadas y existe una mayor variabilidad de tamaños respecto a la curva

de MA 5V 500. Dicha variabilidad de tamaños puede comprobarse en la

Fig 4.8, donde se muestran las distintas granulometrías mediante imágenes SEM.


118

Fig 4.8. Micrografías SEM de los polvos molidos: a) MA 5V 500, b) MA 4V+1A C1 500, c) MA 3V+2A C1 500, d) MA 2V+3A C1 500, e) MA 1V+4A C1 500.

No obstante, las curvas son muy simétricas, lo que indica que el polvo es bastante

homogéneo.

En cuanto al tamaño medio de partículas, Fig 4.9, puede observarse que éste

disminuye conforme se aumenta el tiempo de molienda con amoníaco, llegando a

reducirse en aproximadamente 10 veces respecto al tamaño medio original del

polvo. Tal y como se comentó anteriormente, este hecho puede deberse a que el

amoniaco al disociarse, durante el proceso de aleado mecánico, e incorporarse en

solución sólida a la red de aluminio da lugar a un importante endurecimiento del

polvo.

(a)

Capítulo IV

119

Al ser las condiciones de molienda similares en todos los casos (C1 500), se ha

obviado esta parte de la designación en la Fig 4.9, asi como en las figuras

posteriores.

Fig 4.9. Tamaño medio de partículas del Al ER y de los polvos molidos.

4.4.3.3 DENSIDAD APARENTE Y DE GOLPEO

En la Tabla 4.11 se muestran los valores de densidad de golpeo y densidad aparente

de cada una de las moliendas junto con la de Al ER y del aluminio molido 5h en

vacío. En la Fig 4.10 se han representado gráficamente dichos valores.

Tabla 4.11. Valores de densidad aparente y de densidad de golpeo.

Muestra Densidad aparente

(g/cm3)

Densidad de golpeo

(g/cm3)

Al ER 0.970 1.500

MA 4V+1A C1 500 0.680 0.89

MA 3V+2A C1 500 0.620 0.86

MA 2V+3A C1 500 0.573 0.78

MA 1V+4A C1 500 0.548 0.77

MA 5V 500 0.956 1.316


120

Fig 4.10. Densidad aparente y de golpeo de los polvos.

Puede apreciarse que la densidad aparente disminuye a medida que aumentan las

horas de flujo de amoníaco en la molienda. En cuanto a la densidad de golpeo, la

evolución es similar: desciende a medida que se incrementa la duración del período

de molienda en NH3. A priori, el menor tamaño medio de partículas que se alcanza

a medida que se aumenta el tiempo de molienda en amoniaco, debería permitir unos

valores elevados de densidad aparente y de golpeo. Sucede todo lo contrario, y este

fenómeno parece estar ligado a que la tendencia de los polvos a aglomerarse se

incrementa a medida que lo hace el tiempo de molienda en NH3.

4.4.3.4 CURVAS DE COMPRESIBILIDAD

A continuación se muestran (Fig 4.11) las curvas de compresibilidad obtenidas para

cada molienda. Dichas curvas representan la evolución de la densidad relativa de los

polvos frente a la presión de compactación ejercida, con el fin de saber la forma en

que densifican y de estimar, indirectamente, su dureza.

Capítulo IV

121

Fig 4.11. Curvas de compresibilidad de los polvos molidos durante 5 horas en atmósfera de vacío, en flujo de

amoniaco, y en combinación de vacío y amoniaco.

Puede observarse que para presiones bajas (hasta aprox. 100 MPa) las muestras se

comportan de forma similar, tomando una densidad cercana al 60%. A partir de ese

valor la densidad relativa es mayor para la molienda con menos tiempo de flujo de

amoníaco (MA 4V+1A C1 500) y dicha densidad va disminuyendo conforme la

molienda tiene más horas de flujo de amoníaco. Para una presión de 850 MPa, y a

excepción del molido durante 5h en vacío (MA 5V), solo los polvos de MA 4V+1A

C1 500 alcanzan un valor cercano al 90%.

A partir de estos resultados puede observarse que los polvos más apropiados para la

compactación son los de MA 4V+1A C1 500, ya que son los únicos que alcanzan

una densidad cercana al 90% para la presión de 850 MPa, presión a la cual se

realiza la compactación de las probetas. El aumento de dureza que se produce al

incrementar las horas de molienda en gas dificulta el prensado del polvo generando

una mayor porosidad y por lo tanto se obtiene una menor densidad relativa para

igual presión de compactación.

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

De

nsi

da

d R

ela

tiv

a (

%)

Presión (MPa)

MA 5V

MA 4V+1A

MA 3V+2A

MA 2V+3A

MA 1V+4A

MA 5A


122

4.4.4 COMPACTACIÓN


El siguiente paso ha consistido en la realización de probetas a partir de los polvos

obtenidos en las moliendas. Para todos los casos la presión de compactación ha sido

de 850 MPa y se han realizado 4 probetas cilíndricas y 4 de tracción para cada tipo

de polvos. Cada probeta se ha realizado a partir de 2 g de polvo en el caso de las

probetas cilíndricas y de 4 g en las de tracción.

Todas las probetas poseen un aspecto visual correcto, aunque algunas de ellas han

roto durante la extracción de la matriz de prensado. En estos casos se han repetido

los compactos.

Para localizar de forma correcta cada probeta se presenta la Tabla 4.12 que

relaciona la designación de los polvos con la designación de los compactos.

Tabla 4.12. Designación de compactos.

Designación de polvos Designación de compactos

MA 4V+1A C1 500 MA 4V+1A C1 500 P850

MA 3V+2A C1 500 MA 3V+2A C1 500 P850

MA 2V+3A C1 500 MA 2V+3A C1 500 P850

MA 1V+4A C1 500 MA 1V+4A C1 500 P850

A continuación se mostrarán las distintas propiedades obtenidas de cada uno de los

compactos tras el prensado (antes del sinterizado). Hay que recalcar que los valores

indicados son valores medios obtenidos de las distintas medidas realizadas a las

probetas cilíndricas.

4.4.4.2 DENSIDAD RELATIVA EN VERDE

La

Capítulo IV

123

Tabla 4.13 se muestra los valores de densidad relativa media de cada serie de

compactos.

Tabla 4.13. Densidad relativa en verde de los compactos cilíndricos.

Compactos Densidad relativa(%)

MA 4V+1A C1 500 P850 88.8

MA 3V+2A C1 500 P850 86.4

MA 2V+3A C1 500 P850 82.7

MA 1V+4A C1 500 P850 83.2

Al ER P850 S650 98

Todos los valores obtenidos son menores a la densidad del Al ER, y va

disminuyendo a medida que aumenta el tiempo de molienda en amoniaco. Esto es

perfectamente lógico, si se tiene en cuenta, como se constató al estudiar la

compresibilidad, que la molienda en NH3 produce un endurecimiento del polvo que

dificulta su compactación.

4.4.4.3 DUREZA EN VERDE

Para medir la dureza se han realizado cuatro ensayos a cada compacto mediante el

ensayo de dureza Brinell. Las cuatro medidas se han realizado en una cara de la

probeta, reservando la otra cara para medir la dureza tras el sinterizado.

Inicialmente se realizó una prueba en HB5 pero el valor que se obtenía era muy alto

y se acercaba mucho al rango de HB10, por lo que todas las medidas de dureza

están realizadas en HB10.

Tabla 4.14. Dureza en verde de los compactos.

Compactos Dureza (HB10)

MA 4V+1A C1 500 P850 97

MA 3V+2A C1 500 P850 97

MA 2V+3A C1 500 P850 103


124

MA 1V+4A C1 500 P850 106

Al ER P850 S650* 27

MA 5V 500 P850 87

*Nota: La dureza de Al ER se expresa en HB5.

Todos los compactos elaborados muestran una dureza muy superior a los valores

obtenidos en las moliendas realizadas en vacío y al aluminio en estado de recepción.

Los datos obtenidos (Tabla 4.14) reflejan el notable aumento de dureza que sufre el

material al realizar la molienda con flujo de amoniaco, siendo el mayor para los

polvos de MA 1V+4A C1 500 P850, donde el incremento respecto a los compactos

de polvos MA 5V 500 P850 alcanza 18%.

Estos aumentos de dureza se habían puesto de manifiesto a través de las curvas de

compresibilidad, y como consecuencia del endurecimiento del polvo durante el

proceso de molienda.

4.4.5 SINTERIZACIÓN EN VACÍO


Tras la compactación se ha llevado a cabo el proceso de sinterizado. Todos los

compactos se han sinterizado según el ciclo indicado en la Fig 4.12, que consta de

un calentamiento a 650 ºC durante 1 hora (el vacío del interior del horno es de 5 Pa

durante todo el proceso), seguido de enfriamiento en el horno hasta unos 200 ºC,

previamente a su exposición al aire. Las rampas de temperatura aplicadas en este

tipo de sinterización son detalladas en la Fig 4.12 que se muestra a continuación.

Etapa 1 2 3

Gradiente [ºC/min] 10 5 1

Temperatura final [ºC] 600 645 650

Duración [h] 0 0 1

Capítulo IV

125

Ciclo de Sinterización

0

100

200

300

400

500

600

700

0 20 40 60 80 100 120 140

Tiempo [min]

Tem

pera

tura

[ºC

]

Fig 4.12. Programa de sinterización.

A continuación se muestran las propiedades obtenidas de las probetas tras el

sinterizado. Hay que recalcar que tras el sinterizado, los compactos se han vuelto

más frágiles e incluso, como ocurre en los compactos MA 2V+3A C1 P850 S650,

se han roto al tratar de medir sus dimensiones.


A continuación se muestran en la Tabla 4.15 las densidades relativas de cada tipo de

compactos antes (Dv) y después (D) de la sinterización.

Tabla 4.15. Densidad relativa en verde y tras sinterizado de los compactos.

Compactos Dv (%) D (%)

MA 4V+1A C1 500 P850 S650 88.8 89.8

MA 3V+2A C1 500 P850 S650 86.4 88.5

MA 2V+3A C1 500 P850 S650 82.7 81.1

MA 1V+4A C1 500 P850 S650 83.2 81.2

Al ER P850 S650 98 98.5

MA 5V 500 P850 S650 88.2 97


126

Fig 4.13. Valores de densidad relativa de los compactos.

Se puede observar en la Fig 4.13 que el sinterizado no produce aumentos

apreciables en la densidad, a diferencia de lo que si ocurre con los compactos de

polvo molidos en vacío (MA 5V 500 P850 S650). En algún caso (MA 2V+3A y

MA 1V+2A) incluso sucede que la densidad relativa de los compactos sinterizados

es menor que la de las probetas en verde. Esto puede deberse a que la expulsión de

gases junto con la formación de una mayor cantidad de fases dispersas produce el

agrietamiento de los compactos, dificultando así la determinación correcta de su

densidad relativa.

4.4.5.3 DUREZA

Para medir la dureza se han realizado cuatro medidas a cada compacto cilíndrico.

Inicialmente se realizó una prueba en HB5 pero el valor que se obtenía era muy alto

y se acercaba mucho al rango de HB10, por lo que todas las medidas de dureza

están realizadas en HB10.

En la Tabla 4.16 se muestran los valores de dureza Brinell obtenidos para los

compactos en verde y para los sinterizados.

Capítulo IV

127

Tabla 4.16. Dureza en verde y tras sinterizado de los compactos.

Compactos Dureza en verde

(HB 10)

Dureza sinterizado

(HB 10)

MA 4V+1A C1 500 P850 S650 97 151

MA 3V+2A C1 500 P850 S650 99 181

MA 2V+3A C1 500 P850 S650 103 194

MA 1V+4A C1 500 P850 S650 106 264

Al ER P850 S650* 27 21

MA 5V 500 P850 S650 87 84


Fig 4.14. Valores de dureza de los compactos.

En la Fig 4.14 se observa que la dureza, en los compactos prensados, sufre un gran

aumento respecto al Al ER. Respecto el MA 5V 500 P850 el aumento no es tan

pronunciado y se observa que al aumentar el número de horas expuestas al flujo de

gas, la dureza no sufre un incremento muy apreciable.


128

Sin embargo, en el caso de los compactos sinterizados (Fig 4.14) se produce un gran

aumento de dureza, produciendose el mayor incremento en los compactos

realizados a partir de los polvos obtenidos en la molienda con mayor exposición al

amoniaco, es decir, en los compactos MA 1V+4A C1 500 P850 S650, alcanzando

un aumento de dureza en torno al 214% con respecto a MA 5V 500 P850 S650.

Esto se debe a que es en la etapa de sinterizado donde se forman la mayor cantidad

de segundas fases debidas a la aportación de N a la molienda, provocando estos

valores tan altos de dureza, que alcanzan su valor extremo de 264 HB10 en los

compactos MA 1V+4A C1 500 P850 S650.


Hay que tener en cuenta que en general ha sido complicado realizar los ensayos en

todas las series, ya que los compactos poseían una dureza muy elevada y no se ha

podido realizar la experimentación de forma correcta. Debido a esta dureza los

compactos no podían sujetarse de forma correcta por las mordazas y se

descolocaban o no podía aplicarse la carga de forma correcta. Esto ha provocado

que han roto por zonas no válidas para la toma de valores (por la zona de mordazas)

o han sufrido desprendimientos de material que no hacen posible tomar el

alargamiento producido.

Los valores resultantes del ensayo a tracción se recogen en la Tabla 4.17 y se

representan en la Fig 4.15.

Tabla 4.17. Resistencia a tracción y alargamiento a la rotura de los compactos en verde y tras sinterizado de los compactos.

Compactos Resistencia (MPa) Alargamiento (%)

MA 4V+1A C1 500 P850 S650 219 0.33

MA 3V+2A C1 500 P850 S650 96 0.54

MA 2V+3A C1 500 P850 S650 75 0.46

MA 1V+4A C1 500 P850 S650 --- ---

Al ER 67 9.80

Capítulo IV

129

Fig 4.15. Valores de resistencia de los compactos.

Estos valores nos indican que el material con este proceso se vuelve muy frágil,

obteniendo gran dureza pero poca capacidad de deformación. Como se puede

observar en la Fig 4.15 se obtienen valores muy bajos de resistencia en todos los

compactos

4.5 PROCESADO DE POLVO DE ALUMINIO MOLIDO EN

FLUJO DE AMONIACO CON ADICIÓN DE POLVO DE

COBRE.

4.5.1 INTRODUCCIÓN

La adición de polvo de Cu a los polvos anteriormente estudiados persigue tanto la

mejora de la compactación como de la sinterización. En el Grupo de investigación

se han realizado trabajos en donde la adición de polvo de Cu ha permitido obtener

resultados positivos en cuanto a la mejora del procesado y de las propiedades

mecánicas de los compactos. La adición de polvo de Cu tiene como primer efecto la

disminución de la dureza global del polvo, lo que facilita la operación de


130

compactación, además, la presencia de Cu genera una fase líquida que mejora

notablemente la sinterización.

La adición de Cu se ha realizado en un solo tipo de polvos, los correspondientes a la

molienda MA 3V+2A. Dicha decisión se ha tomado tras comprobar a través de los

resultados anteriormente expuestos que dicho polvo posee los valores intermedios

de las propiedades estudiadas.

En cuanto a la adición de Cu, existen dos posibilidades de realizarla:

a) Mezclar el polvo de Cu con aluminio y realizar una molienda conjunta.

b) Realizar la molienda del polvo de aluminio y después añadir el Cu al polvo

resultante de la molienda.

Para decidir el camino a tomar se ha realizado una experiencia de cada tipo para el

caso de 1.5% Cu, obteniendo los resultados de densidad relativa en verde y tras

sinterizado en adición en molienda y mezclado mostrados en la Fig 4.16. Además se

muestran los valores de dureza de ambos casos en la Fig 4.17.

4.16. Valores de densidad relativa con adición en molienda y mediante mezclado posterior.

Capítulo IV

131

Fig 4.17. Valores de dureza con adición en molienda y mediante mezclado posterior.

Como se puede observar los valores de densidad no varían de forma apreciable en

los dos métodos de adición de Cu, siendo algo más alta en el mezclado.

Respecto a la dureza, se observa que mediante mezclado se consiguen valores más

altos en los compactos sinterizados debido a que el Cu, al tener una menor dureza

que el polvo de aluminio molido, permite un mejor comportamiento durante el

prensado y un mayor grado de sinterabilidad que incrementa la dureza de los

ocmpactos con respecto a los fabricados con polvos de Al y Cu molidos

conjuntamente.

Además de todo esto, existe otro motivo por el que se ha realizado la adición de Cu

mediante mezclado, basado en que dichos compactos tras ser sinterizados se

comportan mucho mejor que los fabricados con polvos de Al y Cu molidos

conjuntamente. A los compactos del mezclado ha sido posible realizarles de forma

correcta tanto las medidas de dureza como el ensayo a tracción, mientras que a los

compactos procedentes de polvo de Al y Cu molidos no ha sido posible tomar esas

medidas adecuadamente porque las probetas rompían con gran facilidad al medirles

dureza y no rompían de forma correcta en el ensayo a tracción.

Por lo tanto, se han preparado 4 tipos de polvos a partir del polvo base MA 3V+2A

C1 500, a los que se han mezclado cuatro cantidades diferentes de Cu (0.5%, 1%,

1.5% y 2%) y cuyas designaciones se recogen en la Tabla 4.18.


132

Tabla 4.18. Designación y % Cu de los polvos.

Designación % Cu

MA 3V+2A C1 500 0.5 Cu 0.5

MA 3V+2A C1 500 1 Cu 1

MA 3V+2A C1 500 1.5 Cu 1.5

MA 3V+2A C1 500 2 Cu 2

Para estudiar los materiales obtenidos se ha seguido el mismo procedimiento que

con los materiales sin adición de cobre. Para ello se ha realizado la compactación de

dicho polvo obteniéndose cuatro probetas cilíndricas y cuatro probetas de tracción

por cada tipo de polvo. Todo ello se ha realizado a la misma presión e igual a 850

MPa.

Tras el análisis de los compactos en verde, éstos se han sinterizado mediante un

ciclo similar al anteriormente utilizado (650°C, 1h) y que ha sido explicado

anteriormente en esta memoria.

En la comentada compactación no ha habido contratiempos destacables y los

compactos se han obtenido de forma correcta y con buena presencia en general.

No obstante, cabe destacar que en algunas probetas de tracción se han producido

pequeñas grietas provocadas en el sinterizado.

4.5.2 PROPIEDADES DE LOS COMPACTOS


En este apartado se detallan los valores obtenidos tras el análisis de los compactos

en verde y sinterizados. Dichos valores indican las características de cada serie de

compactos con los distintos polvos utilizados.

Capítulo IV

133


Como en los apartados anteriores, se muestran a continuación en la Tabla 4.19 las

densidades relativas de cada tipo de compactos antes (Dv) y después (D) de la

sinterización.

Tabla 4.19. Densidad relativa en verde y tras sinterizado de los compactos.

Compactos Dv (%) D (%)

MA 3V+2A C1 500 0.5 Cu P850 S650 84.3 95.5

MA 3V+2A C1 500 1 Cu P850 S650 86.9 97.9

MA 3V+2A C1 500 1.5 Cu P850 S650 87.8 86

MA 3V+2A C1 500 2 Cu P850 S650 82.4 93.9

Al ER P850 S650 98 98.5

MA 5V 500 P850 S650 88.2 97

Esto valores pueden mostrarse de forma más clara en la Fig 4.18 y Fig 4.19. Puesto

que las condiciones de molienda son idénticas en todos los casos (MA 3V+2A C1

500) se han obviado por simplicidad y claridad en las figuras. del resto del capítulo

y solo se muestra la cantidad de Cu que se ha añadido al polvo.

Fig 4.18. Valores de densidad relativa en verde y sinterizado de los compactos.


134

Fig 4.19. Valores de densidad relativa de los compactos sinterizados con Cu en referencia a dichos polvos sin adición de cobre.

Puede comprobarse en la Fig 4.19 que los compactos con un 1.5% Cu sufren un

descenso de densidad frente a los que no poseen Cu. En los demás compactos si se

produce un aumento de densidad relativa respecto a los que no tienen Cu.

4.5.2.3 DUREZA

Los valores de dureza obtenidos se muestra a continuación en la Tabla 4.20 donde,

al igual que en la densidad relativa, se indican valores en verde y sinterizado.

Tabla 4.20. Valores de la dureza en verde y tras sinterizado de los compactos.

Compactos Dureza en verde

(HB 10)

Dureza sinterizado

(HB 10)

MA 3V+2A C1 500 0.5 Cu P850 S650 109 240

MA 3V+2A C1 500 1 Cu P850 S650 109 237

MA 3V+2A C1 500 1.5 Cu P850 S650 111 249

MA 3V+2A C1 500 2 Cu P850 S650 112 239

Al ER P850 S650* 27 21

MA 5V 500 P850 S650 87 84


Capítulo IV

135

Dichos valores de dureza se representan en la Fig 4.20 que se muestra a

continuación, donde por simplicidad solo se indica el porcentaje de Cu añadido,

siendo todas referentes a los polvos MA 3V+2A C1 500 como se comentó

anteriormente.

Fig 4.20. Valores de dureza en verde y sinterizado de los compactos.

Se puede observar que los compactos en los cuales se producen mayores valores de

dureza proceden de los polvos cuya adición de cobre es del 1.5% Cu.

Observando la Fig 4.20 se puede ver que los valores de dureza antes mencionados

son muy próximos para las diferentes composiciones de Cu tanto en el caso de

dureza en verde como en sinterizado, siendo en el caso prensado en torno a 100

HB10 y tras el sinterizado, algo inferior a 250 HB10. Es de destacar que en todos

los casos, la dureza de los compactos sinterizados de polvos molidos en NH3 con

adición de Cu es del orden del triple de la de los compactos de polvo molido en

vacío.

En referencia a los compactos obtenidos a partir de polvos sin adición de Cu, se

observa que el Cu produce un aumento considerable de la dureza en los compactos

de MA 3V+2A C1 500, pasando de un valor de 181 HB10 hasta valores (caso más

desfavorable) de 237 HB10, como puede comprobarse en la Fig 4.21.


136

Fig 4.21. Valores de dureza de polvos con Cu frente a los mismos polvos sin adición de Cu.


En estos compactos, al igual que los que no poseen Cu, también ha sido complicado

medir las propiedades debido a que han roto varias probetas, pero en general han

tenido un mejor comportamiento y ha sido positivo introducir Cu en el polvo.

Los valores de resistencia y alargamiento obtenidos se indican en la Tabla 4.21y se

representan en la Fig 4.22.

Tabla 4.21. Resistencia a tracción y alargamiento a la rotura de los compactos en verde y tras sinterizado de los compactos.

Compactos

Resistencia

(MPa)

Alargamiento

(%)

MA 3V+2A C1 500 0.5 Cu P850 S650 84 ---

MA 3V+2A C1 500 1 Cu P850 S650 81 0.33

MA 3V+2A C1 500 1.5 Cu P850 S650 110 ---

MA 3V+2A C1 500 2 Cu P850 S650 80 0.14

Al ER 67 9.80

Capítulo IV

137

Fig 4.22. Valores de resistencia de los compactos.

Se observa que el material ofrece un mejor comportamiento a tracción que el Al ER,

siendo los compactos MA 3V+2A C1 500 1.5 Cu P850 los más adecuado para este

tipo de solicitación.

Por lo tanto, los compactos MA 3V+2A C1 500 1.5 Cu P850 son los que poseen

más dureza y mejor comportamiento a tracción.

4 resultados y discusiÓn 4. resultados y...

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