3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3. …bibing.us.es/proyectos/abreproy/4924/fichero/Capitulo+3.pdf · Las variables que intervienen en el proceso de molienda ... como en flujo continuo,

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

3. Procedimiento Experimental

Procedimiento Experimental

70

3.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se describen las características principales de cada uno de los

materiales de partida utilizados. Asimismo, se detallan cada una de las técnicas

experimentales empleadas a lo largo del presente trabajo y las propiedades medidas,

tanto en los materiales pulverulentos como en los compactos.

Hay que tener en cuenta que el método empleado para la fabricación del material en

forma de polvo así como las técnicas de consolidación del mismo, determinará la

composición y estructura de los compactos obtenidos. Esto condicionará, en gran

medida, sus propiedades tecnológicas y mecánicas.

En este proyecto, se ha seguido un procedimiento idéntico para la fabricación de

todos los polvos con el objeto de poder realizar comparaciones entre ellos.

Del mismo modo, el procesado secundario o de consolidación de los polvos ha sido

el mismo para todos los materiales. Este procesado secundario, como se describirá

detalladamente con posterioridad, consiste en un prensado uniaxial en frío a

850 MPa, seguido de una sinterización en vacío a 650 ºC durante 1 hora.

3.2 MATERIALES DE PARTIDA

El material base utilizado para fabricar los diferentes materiales estudiados en este

proyecto es polvo de aluminio de pureza superior al 99.7 %, suministrado por la

empresa alemana ECKART-WERKE.

Las moliendas se han realizado en vacío y en presencia de amoniaco, gas

proporcionado por AIR LIQUIDE.

Como agente controlador de los procesos de fractura y soldadura durante la

molienda (ACP), se ha utilizado una cera orgánica micropolvo (etilen bis-

estearamida) de CLARIANT.

La caracterización detallada llevada a cabo para estas sustancias, se recoge en el

capítulo 4 apartado 4.2.

Capítulo III

71

3.3 PROCESADO PRIMARIO. MOLIENDA

Como medio para procesar el polvo de aluminio se ha usado el aleado mecánico.

Básicamente, consiste en la molienda de polvo o mezcla de polvos de diferentes

materiales en un molino de bolas. La gran energía transferida al polvo a través de

las bolas, hace que se obtengan materiales pulverulentos muy homogéneos y de

estructura controlada. Esta técnica se ha empleado, entre otras muchas cosas, para

obtener aleaciones sobresaturadas, materiales con estructura nanocristalina, amorfos

y para sintetizar compuestos inorgánicos [80,81,82,83].

Las variables que intervienen en el proceso de molienda son muy numerosas, como

ya ha sido expuesto en el apartado 2.2.3. A continuación, se indican los criterios

seguidos en este proyecto para seleccionar los valores empleados en cada una de

ellas:

• Tipo de molino. El attritor es considerado como uno de los mejores molinos para

el proceso de aleación mecánica [84,85,86]. Además, permite procesar cantidades

considerables de polvo en tiempos no muy elevados. Por estos motivos se eligió

este tipo de molino. El molino empleado en el proyecto es de la casa UNION

PROCESS y consta de un motor de eléctrico de 1/4 HP con variador continuo de

velocidad entre 0 y 650 rpm. La vasija, de acero inoxidable, tiene una capacidad

de 1400 cm3 y está refrigerada mediante una camisa. El agitador es de acero

inoxidable y los brazos son de colmonoy (Ni-17Cr-3Fe). Incorpora un

barrefondo para desplazar las bolas de la zona muerta del fondo de la vasija [87]

hacia regiones más activas, mejorándose la circulación de polvo y bolas.

• Relación de carga. Se ha escogido una relación de carga de 50:1 con el fin de

poder comparar resultados con otros trabajos realizados [88,89].

• Carga total del molino. Se ha cargado el molino con 72 g de polvo y 3600 g de

bolas (relación de carga 50:1).

• Tamaño y densidad de las bolas. Se han utilizado bolas de acero al cromo níquel

con un diámetro de 4.65 mm y densidad 7.9 g/cm3, empleadas en rodamientos,

Fig 3.1. Este acero se ajusta a las especificaciones DIN 1.3505 y AISI E52100

pudiéndose encontrar comercialmente con las denominaciones SKF-3 ó Rodfor,

Forjas Alavesas.


72

Fig 3.1. Bolas de acero al cromo níquel para la molienda.

• Atmósfera de molienda. Se han realizado moliendas en vacío y en amoniaco. A

fin de poder controlar la atmósfera en la que ocurre el proceso se ha diseñado

una tapadera especial para la vasija del molino (Fig 3.2). De este modo, es

posible llevar a cabo una gran diversidad de moliendas, tanto en vacío de hasta

unos 10-3 Pa, como en flujo continuo, o en sobrepresión de gases.

Fig 3.2. Tapadera de la vasija del molino.

• Porcentaje de agente controlador del proceso (ACP). Se ha empleado un

porcentaje de ACP del 3%.

Capítulo III

73

• Velocidad y tiempo de molienda. Se han usado diferentes tiempos y diferentes

velocidades de molienda con el propósito estudiar su efecto en el propio proceso

de molienda y en las propiedades de los polvos.

Para realizar las moliendas en flujo de amoniaco se ha contado con la ayuda de un

pulmón de acero (Fig 3.3). Una vez cargado el pulmón con el gas se hace vacío en

la vasija. A continuación llenamos la vasija con el gas contenido en el pulmón. Este

proceso se puede repetir varias veces con el fin de asegurar que la composición del

gas en la vasija es exactamente la deseada. En nuestro caso, este proceso

únicamente se ha realizado una vez, ya que las moliendas se realizaron en flujo y no

en atmósfera estanca. Alcanzada la presión deseada en el pulmón fijamos el caudal

con el que vamos a trabajar. A continuación abrimos la llave de la tapadera de

salida del gas. De este modo, el gas irá fluyendo, al caudal fijado, desde el pulmón

al exterior a través de la vasija. Bajo estas condiciones ponemos en marcha el

molino.

Fig 3.3. Pulmón de acero para el control de la atmósfera de molienda.

El equipo de vacío está formado por una bomba rotativa EDWARDS E2M2 de dos

etapas y 2.8 m3/h, una bomba difusora de aceite EDWARDS de 150 l/s y un

controlador de presión BALZERS TPG 300.


74

Tras la molienda, el contenido de la vasija se vierte sobre un tamiz a efecto de

separar el polvo de las bolas. El posterior pesado del polvo permite calcular el

rendimiento de la molienda como relación entre el polvo extraído tras su aleado y el

introducido inicialmente en la vasija. Este es un dato sencillo de obtener, pero muy

importante para tener información acerca de las posibles incidencias que se

pudieran producir durante el proceso de molienda.

Capítulo III

75

3.4 PROCESADO SECUNDARIO. CONSOLIDACIÓN

La gran tendencia a la oxidación del aluminio hace que se rodee de una capa de

Al 2O3. Debido a la estabilidad y densidad de esta capa de óxido, el procesado

pulvimetalúrgico de aluminio suele ser complicado. Se hace necesario incluir etapas

que produzcan alta deformación en el polvo y así romper las capas de alúmina.

En este trabajo, mediante el control de las variables del proceso de molienda se han

producido polvos con tamaño de partícula reducidos. Esto unido a las ventajas de la

sinterización en fase líquida (supersolidus) ha permitido reducir aún más el proceso.

De este modo, el procesado secundario o de consolidación utilizado, consta

únicamente de un ciclo simple de prensado uniaxial en frío, seguido de una

sinterización en vacío de 5 Pa. Generalmente, la presión de consolidación aplicada

es de 850 MPa, y la temperatura de sinterización de 650 ºC. Esta temperatura se

mantiene, en la mayor parte de los casos, durante 1 hora.

3.4.1 COMPACTACIÓN

Para la compactación se ha empleado una máquina universal de ensayos

SUZPECAR MUE-60 con control automático (Fig 3.4).

Fig 3.4. Máquina universal de ensayos para el prensado de los polvos.

Se han fabricado compactos de tipo cilíndrico y con forma de probeta de tracción

plana. Este último tipo de probetas se ha realizado según una modificación de la

recomendada en las normas MPIF Standar 10

en la Fig 3.5 los esquemas de las mismas con sus dimensiones.

Ambos compactos tienen una masa de 4 g. En la

compactos cilíndricos y de tracción fabricados

Fig

Las matrices empleadas son de acero

empleada para los compactos con forma de probeta de tracción plana, el núcleo de

1.2419 tratado, está zunchado por medio de un anillo de acero 1.6561 normalizado.

Como lubricante se ha empleado una suspensión a base de acetona y cera orgánica

EBS (etileno-bis-estearamida) aplicada en las paredes de la matriz. Dicha cera es

idéntica a la empleada como agent

los polvos.


76



recomendada en las normas MPIF Standar 10 [90] y ASTM A370

los esquemas de las mismas con sus dimensiones.

Fig 3.5. Tipos de compactos fabricados.

Ambos compactos tienen una masa de 4 g. En la Fig 3.6 se muestran algunos de los

compactos cilíndricos y de tracción fabricados.

Fig 3.6. Compactos cilíndricos y de tracción.

Las matrices empleadas son de acero 1.2419 bonificado. Además, en el caso de la


zunchado por medio de un anillo de acero 1.6561 normalizado.


estearamida) aplicada en las paredes de la matriz. Dicha cera es

idéntica a la empleada como agente controlador del proceso durante la molienda de




y ASTM A370 [91]. Se presentan

se muestran algunos de los

bonificado. Además, en el caso de la


zunchado por medio de un anillo de acero 1.6561 normalizado.


estearamida) aplicada en las paredes de la matriz. Dicha cera es

e controlador del proceso durante la molienda de

Capítulo III

77

Tras la lubricación y el llenado de la matriz con los polvos a consolidar, se aplicó

carga con una velocidad de 588 N/s para el caso de probetas cilíndricas, y 1078 N/s

para el caso de probetas de tracción. Una vez alcanzada la presión final, se mantuvo

la carga aplicada durante dos minutos, transcurridos los cuales, se procedió a la

descarga y extracción del compacto.

3.4.2 SINTERIZACIÓN

Para la sinterización se ha usado un horno de tubo horizontal LINDBERG de 12 kW

de potencia. Sus resistencias son de CSi, e incorpora un controlador de temperaturas

programable EUROTHERM. Dicho controlador está conectado a un termopar, que

se introduce dentro del horno mediante una varilla unida a la tapadera de la boca de

carga. El tubo del horno está construido en acero AISI 304 (equivalente a 1.4301

UNE-EN 10088-1:1995) y la refrigeración de sus extremos se realiza con agua.

Una bomba rotativa TELSTAR 2G6 de 6 m3/h conectada al horno, ha asegurado un

vacío de 5 Pa durante todo el proceso de sinterizado. Este equipo tiene un

controlador de presión TELSTAR 937, con sus correspondientes medidores Pirani y

Penning. El montaje del horno y el controlador de temperatura para la etapa de

sinterización se muestra en la Fig 3.7.

Fig 3.7. Horno de sinterizado.


78

Las muestras se colocan sobre un portamuestras de acero inoxidable constituido por

dos placas paralelas separadas una distancia de 20 mm. Un termopar colocado en el

portamuestras asegura el control de la temperatura en cada instante.

En este trabajo se ha aplicado un ciclo de sinterizado consistente en una rampa de

calentamiento hasta 650 ºC, manteniéndose dicha temperatura durante una hora. A

efecto de mejorar la resolución obtenida en la caracterización de las fases formadas

durante el sinterizado, en lugar de realizar la difracciçon de rayos sobre compactos

sinterizados, se han realizado sobre polvos sueltos que se han sometido a un ciclo

de sinterización idéntico al de los compactos.

Tabla 3.1. Ciclo de sinterización.

Etapa 1 2 3

Gradiente [ºC/min] 10 5 1

Temperatura [ºC] 600 645 650 Duración [h] 0 0 1

Fig 3.8. Programa de sinterización.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tem

pera

tura

[ºC

]

Tiempo [min]

Capítulo III

79

3.5 CARACTERIZACIÓN Y EVALUACIÓN DE

PROPIEDADES

3.5.1 CARACTERIZACIÓN DE POLVOS

Los materiales en forma de polvo pueden ser caracterizados por un elevado número

de propiedades. Éstas pueden dividirse entre las referidas a la partícula como un

ente aislado y las que consideran la masa de polvos como un conjunto [92,93]. En este

sentido, para obtener información básica del polvo se han realizado medidas de

fluidez, densidad aparente y de golpeo, granulometría y dureza, así como estudio

morfológico y estructural de los polvos.

3.5.1.1 MUESTREO DEL POLVO

La distribución granulométrica de los polvos, su transporte y almacenaje producen

una estratificación de tamaños de partículas en el interior del recipiente que los

contiene. Las partículas de menor tamaño tienden a ocupar la región inferior del

recipiente, mientras que las partículas más gruesas permanecen sobrenadando en la

parte superior de la masa de polvo [94]. Por este motivo, se hace necesario emplear

un método de extracción de muestras representativas del conjunto del material [95].

Las muestras se extraen introduciendo, en la masa de polvo, un tubo de vidrio hasta

el fondo del recipiente que la contiene. El resultado es un testigo que contiene

material de las diferentes alturas del contenedor. De este modo se obtienen muestras

representativas del material, tanto si se han producido o no fenómenos de

segregación.

3.5.1.2 FLUIDIMETRÍA

La fluidez es la capacidad que posee un material en forma de polvo de pasar a

través de un orificio practicado en la base del recipiente cónico que lo contiene.

Según lo indicado en la norma “Standard Test Method for Flow Rate of Metal

Powders” de ASTM [96], se introduce una muestra de 50 g de polvo en un

fluidímetro de Hall, Fig

tarda el polvo en pasar a través del fluidímetro.

Todos los polvos fabricados en este proyecto

mostrará en muchos casos.

3.5.1.3 DENSIDAD APARENTE

Se define como la cantidad de masa de polvo por unidad de volumen de la misma,

incluyendo el espacio que ocupan los huecos que quedan entre las partículas.

determinarla, se ha aplicado la norma “Standard Test Method for Apparent Density

of Free-Flowing Metal Powders Using the Hall Flowmeter Funnel” de ASTM

Según esta norma, se llen

colocándolo a una determinada altu

previamente tarada. Se hace fluir el polvo a través del fluidímetro, llenando y

rebosando la cubeta colocada debajo. Esta cubeta es enrasada y pesada, calculando

así la densidad aparente.


80

3.9. La velocidad de fluidez se define como el tiempo que

tarda el polvo en pasar a través del fluidímetro.

fabricados en este proyecto no fluyen, por lo que este dato no se

mostrará en muchos casos.

Fig 3.9. Fluidímetro de Hall.

DENSIDAD APARENTE

define como la cantidad de masa de polvo por unidad de volumen de la misma,

incluyendo el espacio que ocupan los huecos que quedan entre las partículas.


Metal Powders Using the Hall Flowmeter Funnel” de ASTM

Según esta norma, se llena el fluidímetro de Hall, Fig 3.9, con 50

a una determinada altura de una cubeta de latón de 25




. La velocidad de fluidez se define como el tiempo que

por lo que este dato no se

define como la cantidad de masa de polvo por unidad de volumen de la misma,

incluyendo el espacio que ocupan los huecos que quedan entre las partículas. Para


Metal Powders Using the Hall Flowmeter Funnel” de ASTM [97].

, con 50 g de polvo,

ra de una cubeta de latón de 25 cm3,



Capítulo III

81

3.5.1.4 DENSIDAD DE GOLPEO

La densidad de golpeo junto con la densidad aparente da una medida de la

capacidad de densificación del polvo por aplicación de vibrado, es decir, sin

someter el polvo a presión de compactación. Se calcula aplicando la norma de

ASTM “Standard Test Method for Determination of Tap Density of Metallic

Powders and Compounds” [98]. Para ello se colocan 5g de polvo en el interior de una

probeta seca y graduada de 10 cm3 con apreciación de 0.1 cm3. La base de la

probeta se coloca en una pulidora vibratoria sobre una base de goma dura y se

somete a vibración durante un minuto, transcurrido el cual se calcula la densidad

considerando el volumen alcanzado por la columna de polvos.

3.5.1.5 DENSIDAD ABSOLUTA

Se define como la cantidad de masa de polvo por unidad de volumen de la misma,

excluyendo en este caso el espacio que ocupan los huecos que quedan entre las

partículas. Para su determinación se ha contado con un picnómetro automático

ACCUPYC II 1340 (Fig 3.10), el cual nos permite obtener el volumen de una

muestra sólida, eliminando su porosidad interna y abierta, a partir del cambio de

presión que experimenta un gas que se expande al pasar desde un volumen que

contiene la muestra a otro que no la contenga. El gas empleado es el Helio, ya que

presenta un comportamiento semejante al de un gas ideal.

Fig 3.10. Picnómetro automático. Accupyc II 1340.


82

En la Fig 3.11 se ha representado un diagrama del esquema de funcionamiento de

un picnómetro automático [99], utilizando una cámara contenedora de muestras de

tamaño fijo.

Fig 3.11. Diagrama del esquema de funcionamiento de un picnómetro automático

Se trata de un sistema sencillo, compuesto por dos cámaras, un medidor de presión,

y tres válvulas. El diseño permite mantener una temperatura uniforme en todo el

sistema, y el cierre de ambas cámaras se puede considerar completamente

hermético. La celda portamuestras se debe tomar de un tamaño acorde a la cantidad

de muestra disponible, ya que es necesario que ésta rellene prácticamente la

totalidad de la cámara con objeto de minimizar errores de medida. Es por esta razón

que se tienen vasitos portamuestras de 1, 10, 100 y 350cm3 de volumen.

Previo a su utilización para calcular la densidad absoluta de una muestra, es

necesario realizar un proceso de calibración, a partir del cual se obtienen los valores

para los volúmenes Vc y Vx, quedando registrados en la memoria del programa que

realizará los cálculos posteriores para nuestra muestra de volumen Vs. Partiendo del

sistema cerrado y con una presión igual a la presión atmosférica, las etapas para

este calibrado inicial son las siguientes:

1. Abrimos la válvula 1. Llenamos con gas de Helio la cámara portamuestras,

aumentando así la presión dentro de ésta. Una vez completado el proceso de

llenado de esta primera cámara, se cierra la válvula 1 y se mide la presión

alcanzada (P1).

2. A continuación, se abre la válvula 2, dejando así que el Helio se expanda

hacía la segunda cámara. Cuando se llega a una situación de equilibrio entre

ambas cámaras, se vuelve a medir la presión (P2).

VS

VC VX

Cámara portamuestras Cámara de expansión

Medidor

de presión

Válvula 1 Válvula 3Válvula 2

Helio Salida gas

Capítulo III

83

3. Finalmente, abrimos la válvula 3, saliendo el gas al exterior.

Este ciclo se repetirá tantas veces como sea necesario, de forma iterativa, hasta

determinar con gran precisión los valores de ambos volúmenes, Vc y Vx.

Cumpliéndose la ley que rige el comportamiento de un gas ideal, tenemos la

relación:

�1 �� = �2(�� + �)

Si repetimos este mismo procedimiento, introduciendo en este caso una muestra de

volumen conocido Vk en la primera cámara (Vc), la expresión anterior quedaría de

la siguiente forma:

�3 (�� − ��) = �4 (�� − �� + �)

Siendo P3 y P4 las equivalentes a P1 y P2, medidas ahora para el proceso donde

tenemos la muestra Vk.

Resolviendo la primera ecuación se obtiene el valor de Vx en función de las

presiones medidas:

� =��(�1 − �2)

�2

Sustituyendo ahora en esta expresión de Vx la relación que teníamos al aplicar la ley

de los gases para el segundo caso (con P3, P4 y Vk); y resolviendo para Vc:

�� =��(�3 − �4)

(�3 − �4) − (�1 − �2)(�4�2

)

Finalizado este proceso previo de calibración del sistema, y conocidos estos

volúmenes de ambas cámaras, se puede proceder a la determinación de la densidad

absoluta de una muestra sólida a partir de determinación del volumen de esta

muestra Vs.

Si repetimos el mismo proceso, aplicando un desarrollo similar de las ecuaciones

anteriores, llegamos a la siguiente expresión:


84

�� = �� −�

1 −�6�5

Siendo P5 y P6 las equivalentes a P1 y P2, medidas ahora para el proceso donde

tenemos la muestra Vs.

Tal y como se observa en la expresión final, la determinación del volumen de una

muestra se resume simplemente a la medida de dos presiones (P5, P6) y de los

volúmenes de calibración (Vc, Vx). Y para el cálculo de la densidad absoluta sólo

faltaría aplicar la expresión que define esta propiedad:

�(��) =�

��

Donde W es la masa en seco de la muestra Vs, cuyo valor es conocido previamente a

su ensayo con el picnómetro.

Para la determinación de la densidad absoluta de las diferentes muestras de polvo de

aluminio, se ha utilizado el vasito portamuestras de 1cm3 para todas ellas, Se llena

aproximadamente 2/3 del volumen total de éste recipiente con el polvo de aluminio

de la muestra que estamos estudiando, se introduce en el interior de otro cilindro

metálico, y se cierra todo tal y como se muestra en el esquema de la Fig 3.12.

Fig 3.12. Esquema de montaje d

Este montaje se introduce en el picnómetro, programado para realizar un muestreo

previo o muestreo de purga

Helio que preparan la muestra eliminando el vapor de

contaminante que pueda contener, además de terminar

necesarios para realizar todos los cálculos con mayor precisión y exactitud.

Una vez preparada la muestra y definidos todo

programa del picnómetro, este instrumento realiza de manera automática los

necesarios, así como los cálculos posteriores,

de la densidad absoluta para

3.5.1.6 COMPRESIBILIDAD

La forma en que densifican los polvos se determina por la curva de compresibilidad,

entendiendo por ella la representación de la densidad relativa del compacto frente a

la presión de compactación. Para su determinación es necesario prensar polvo a

diferentes presiones y una vez extraídos los compactos de la matriz, pesarlos y

medir sus dimensiones a fin de calcular su densidad relativa (normas MPIF Standar

45 [100] y ASTM B331 [101

Existe un procedimiento utilizado en este trabajo y también empleado por dife

investigadores [102,103,104,105

85

. Esquema de montaje de la cámara portamuestras del picnómetro.


muestreo de purga. Este proceso previo consiste en unos

preparan la muestra eliminando el vapor de agua, aire o cualquier tipo de

te que pueda contener, además de terminar de definir los parámetros


Una vez preparada la muestra y definidos todos los parámetros requer

programa del picnómetro, este instrumento realiza de manera automática los

los cálculos posteriores, ofreciendo directamente el

de la densidad absoluta para muestra introducida.

COMPRESIBILIDAD




es presiones y una vez extraídos los compactos de la matriz, pesarlos y

medir sus dimensiones a fin de calcular su densidad relativa (normas MPIF Standar 101]).

Existe un procedimiento utilizado en este trabajo y también empleado por dife105], que permite obtener con un sólo compacto cilíndrico

Capítulo III

e la cámara portamuestras del picnómetro.


. Este proceso previo consiste en unos 15 barridos de

agua, aire o cualquier tipo de

de definir los parámetros


s los parámetros requeridos por el

programa del picnómetro, este instrumento realiza de manera automática los ciclos

ofreciendo directamente el resultado




es presiones y una vez extraídos los compactos de la matriz, pesarlos y

medir sus dimensiones a fin de calcular su densidad relativa (normas MPIF Standar

Existe un procedimiento utilizado en este trabajo y también empleado por diferentes

, que permite obtener con un sólo compacto cilíndrico


86

los puntos experimentales necesarios para trazar la curva de compresibilidad. De

este modo, se evita tener que fabricar un compacto por cada punto experimental a

determinar.

El ensayo se ha realizado en una máquina de ensayos universal Instron (Fig 3.13).

Fig 3.13. Prensa utilizada para el ensayo de compresibilidad.

Para realizar estos ensayos se han realizado compactos cilíndricos de 8 mm de

diámetro y 1.5 g de masa. Una vez lubricada la matriz y llena con el polvo se han

aplicado dos rampas de subida continua hasta carga final. La primera rampa está

definida a una velocidad de 60 kg/min hasta 25 MPa. La siguiente rampa está

definida a una velocidad de 600 kg/min y podemos definir su punto final, en nuestro

caso 1200 MPa. Una vez alcanzado el valor de carga final se mantiene durante dos

minutos y a continuación se descarga.

Capítulo III

87

Fig 3.14. Esquema del montaje para el ensayo de compresibilidad del polvo.

Es importante resaltar que la limpieza de la matriz, punzón y sufridera, esencial en

cualquier compactación, es de suma importancia en este ensayo, para no introducir

factores que puedan alterar el resultado real.

3.5.1.7 GRANULOMETRÍA

Multitud de propiedades de los materiales en forma de polvo como la reactividad

química y fluidez están afectadas por el tamaño de sus partículas [106].

En los años 80 del siglo pasado se desarrolló un método para la medida del tamaño

de partícula mediante difracción láser (low angle laser ligth scattering). Se basa en

el hecho de que las partículas dispersan luz en todas direcciones con un patrón de

intensidad dependiente de su tamaño. Concretamente, el ángulo de dispersión es

inversamente proporcional al tamaño de la partícula.

La difracción láser ha sido el método empleado para medir la granulometría de los

polvos producidos en esta investigación. Para ello se ha contado con un analizador

láser Mastersizer 2000 de MALVERN (Fig 3.15). Este equipo dispone de un láser

de He-Ne para medida de tamaños de partícula grandes, mientras que una fuente de

luz azul de 466 nm de longitud de onda proporciona un incremento de la resolución

en la región submicrométrica. Esto permite medir con precisión partículas con

tamaños entre 0.2 y 2000 µm.

Fig 3

3.5.1.8 CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL

3.5.1.8.1 Difracción de rayos X

La difracción de rayos X es una técnica no destructiva ampliamente utilizada para la

caracterización de materiales cristalinos. Entre sus principales usos se encuentra la

identificación de fases, análisis cuantitativo y la determinación de imperfecciones

estructurales.

Se basa en el hecho de que cuando un haz de rayos X incide sobre un mater

cristalino es dispersado (

destructiva en la mayor parte de las direcciones. Sin embargo, debido a la

ordenación periódica de los átomos en el material, las ondas dispersadas se

refuerzan en ciertas direccione

Siendo λ la longitud de onda del haz de rayos X,

l} que producen la dispersión constructiva (difracción),

rayos X y los planos que producen difracción y

Como en un cristal hay diferentes familias de planos y con distintos espaciados,

definidos por los parámetros reticulares de la red, existi


88

3.15. Medidor granulométrico. Mastersizer 2000.

CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL

Difracción de rayos X


racterización de materiales cristalinos. Entre sus principales usos se encuentra la


Se basa en el hecho de que cuando un haz de rayos X incide sobre un mater

cristalino es dispersado (scattered) produciendo fenómenos de interferencia



cciones determinadas por la ley de Bragg:

θλ sendn hkl2=

la longitud de onda del haz de rayos X, hkld la distancia entre planos {h k

l} que producen la dispersión constructiva (difracción), θ ángulo entre el haz de

rayos X y los planos que producen difracción y n es un número entero.


definidos por los parámetros reticulares de la red, existirán también varios ángulos



racterización de materiales cristalinos. Entre sus principales usos se encuentra la


Se basa en el hecho de que cuando un haz de rayos X incide sobre un material

) produciendo fenómenos de interferencia



la distancia entre planos {h k

ángulo entre el haz de

es un número entero.


rán también varios ángulos

Capítulo III

89

para los que se cumple la ley de Bragg. Puesto que la estructura cristalina es algo

característico de cada material y no existen dos sustancias con la misma estructura

cristalina, el conjunto de espaciados entre sus planos también será único para cada

cristal. Así pues, se constata que no existen dos sustancias cristalinas con el mismo

diagrama de difracción, de modo que, a partir de esta técnica pueden identificarse

las fases que forman un material cristalino cualquiera.

Además, a partir del diagrama de difracción de una sustancia puede realizarse la

cuantificación de las diferentes fases que la componen mediante el método de

Rietveld. Hugo Rietveld propuso su método en el año 1967 y fue la resolución de la

estructura del superconductor de YBa2Cu3O7-x lo que le proporcionó fama mundial.

Se basa en el ajuste de un difractograma experimental por el método de mínimos

cuadrados hasta obtener la mínima diferencia entre el patrón experimental y el

calculado, es decir, se trata de minimizar la siguiente expresión:

( )∑ −=i

ciiii yywS 2

Donde yi es la intensidad experimental medida en el paso i del difractograma, yci es

la intensidad teórica en el paso i y wi es un factor de peso.

Para la construcción de este patrón teórico, se tienen en cuenta aspectos

estructurales (grupo espacial, factores térmicos,…), microestructurales

(concentraciones, tamaño de cristalita, microdeformaciones,…) e instrumentales

(cero del equipo, aberraciones,…). Todo esto se recoge en la expresión:

( ) bikjkjikjk

kjkjj

jj

ijci AyPFLSyy θθφ 222 −== ∑∑∑

Por otra parte, la ley de Bragg indica que en condiciones ideales, la difracción en un

cristal de un haz de rayos X paralelo y monocromático, se produce para valores

discretos de θ. Sin embargo, en la realidad, y debido tanto a factores instrumentales

como al grado de perfección cristalina de la muestra, la difracción se produce en un

intervalo angular alrededor de θ, produciendo un ensanchamiento de las líneas. La


90

anchura de los picos debido a factores instrumentales, ancho instrumental, es

característico de cada equipo de difracción e independiente de la muestra analizada.

Empleando una muestra estándar bien cristalizada puede determinarse el

ensanchamiento de los picos debido al equipo de difracción, de modo que al

analizar otra muestra cualquiera, puede determinarse el ancho de los picos debido a

las imperfecciones cristalinas del material analizado.

Entre las imperfecciones que pueden medirse mediante difracción de rayos X están

el tamaño de cristalita y las microtensiones en el material. Existen varios métodos

para su determinación, con diferentes ventajas e inconvenientes, encontrándose

entre los más rigurosos el de Williamson-Hall y Langford. El primero de ellos, hace

la suposición de que tanto el tamaño de las cristalitas como las microtensiones dan

lugar a perfiles de tipo lorentziano, lo cual sólo es cierto para el caso de materiales

poco pensionados, ya que se demuestra que las microtensiones del material

producen perfiles de tipo gaussiano. Por el contrario, el método de Langford, tras

ajustar el difractograma con el método de Rietveld, separa las componentes

lorentziana y gaussiana de cada pico permitiendo un cálculo más exacto del tamaño

de cristalita y microtensiones.

En este proyecto, el difractómetro empleado ha sido un Bruker D8 Advance, usando

radiación CuKα, y colocando aperturas de 1 º, 1 º, 1 º y 0.05 º. Los difractogramas

para identificación de fases se han realizado con un paso de 0.05 º y 3 s,mietras que

para la cuantificación mediante Rietveld, el paso utilizado fue de 0.02º y 5s.

Mediante una muestra estándar de LaB6 se ha determinado el cero del equipo, los

errores derivados de la transparencia y el montaje inadecuado de la muestra (sysin y

sycos, respectivamente), y el ancho instrumental (Ug, Vg y Wg).

Fig

3.5.1.8.2 Microscopía electrónica de barrido

El reducido tamaño de los polvos utilizados, hace que la microscopía electrónica de

barrido (SEM) sea la más adecuada para su caracterizaci

tipo de microscopía resulta fundamental para el estudio superficial de materiales en

forma de polvo, ya que su principal ventaja radica en la gran profundidad de campo

que permiten alcanzar. Las imágenes de microscopía óptica son

bidimensionales, mientras que la profundidad de campo alcanzada por la

microscopía electrónica de barrido permite obtener representaciones con apariencia

tridimensional. De este modo, trabajando con la señal de electrones secundarios

(SE), se pueden distinguir en el material características como rugosidad y porosidad

superficial abierta. Además, al tener una visión casi completa de las partículas, se

puede observar con claridad su morfología.

Por otra parte, la molienda de polvo de aluminio

en la morfología y microestructura del material. Las partículas, inicialmente cuasi

equiaxiadas, pasan por varias etapas que incluyen el aplanado, soldadura de las

láminas formadas, plegado de estas partículas generando e

convolución, y formación de partículas equiaxiales de estructura homogénea.

91

Fig 3.16. Difractómetro BRUKER D8 Advance

Microscopía electrónica de barrido


barrido (SEM) sea la más adecuada para su caracterización microestructural. Este



que permiten alcanzar. Las imágenes de microscopía óptica son




se pueden distinguir en el material características como rugosidad y porosidad


puede observar con claridad su morfología.

Por otra parte, la molienda de polvo de aluminio, trae consigo importantes cambios

en la morfología y microestructura del material. Las partículas, inicialmente cuasi


láminas formadas, plegado de estas partículas generando e


Capítulo III


ón microestructural. Este



que permiten alcanzar. Las imágenes de microscopía óptica son representaciones




se pueden distinguir en el material características como rugosidad y porosidad


, trae consigo importantes cambios

en la morfología y microestructura del material. Las partículas, inicialmente cuasi-


láminas formadas, plegado de estas partículas generando estructuras de


Además, se produce la rotura de las capas de óxido superficial, que son disgregadas

e incorporadas al interior de las partículas de Al.

El SEM utilizado para estos trabajos es un PHILIPS XL

Microscopía de la Universidad de Sevilla con un sistema de microanálisis por EDX

(Fig 3.17).

Fig 3.17. Microscopio electrónico de barrido PHILIPS XL

3.5.2 PROPIEDADES DE LOS COMPACTOS

Para cada uno de los tipos de polvo producidos

tipo cilíndrico y cuatro de tracción.

Tanto tras la etapa de prensado como la de sinterizado, a los compactos se les han

medido una serie de propiedades para controlar y caracterizar el producto. Antes de

proceder a la medida de sus di

retocados por abrasión en seco con papel

Prácticamente la totalidad de las propiedades medidas han sido estudiadas sobre los

compactos cilíndricos, quedando los de tracción re

fueron creados.

A continuación se detallan las propiedades medidas y ensayos realizados en cada

tipo de probeta.


92


e incorporadas al interior de las partículas de Al.

El SEM utilizado para estos trabajos es un PHILIPS XL-30 del Servicio de

la Universidad de Sevilla con un sistema de microanálisis por EDX

. Microscopio electrónico de barrido PHILIPS XL-30.

PROPIEDADES DE LOS COMPACTOS

e los tipos de polvo producidos se han fabricado cuatro probetas de

tipo cilíndrico y cuatro de tracción.



a la medida de sus dimensiones los compactos fueron ligeramente

por abrasión en seco con papel de CSi nº 1000 para eliminar rebabas.


compactos cilíndricos, quedando los de tracción relegados al ensayo para el cual




30 del Servicio de

la Universidad de Sevilla con un sistema de microanálisis por EDX

cuatro probetas de



fueron ligeramente

para eliminar rebabas.


legados al ensayo para el cual


Capítulo III

93

Medidas y ensayos empleando probetas cilíndricas

� Dimensiones

� Masa

� Dureza Brinell

� Difracción de rayos X

� Estudios metalográficos (microscopía óptica y electrónica de barrido)

� Dureza en caliente tras la sinterización

Medidas y ensayos empleando probetas de tracción

� Sección y longitud inicial (L0)

� Ensayo de tracción a temperatura ambiente

� Estudios fractográficos (microscopía óptica y electrónica de barrido)

3.5.2.1 DENSIDAD APARENTE

La densidad aparente de cada una de las probetas cilíndricas se ha calculado a partir

de su masa, altura y diámetro medio.

Las masas se han medido mediante una balanza METTLER AE-160, con

apreciación de la diezmilésima de gramo.

Empleando un calibre digital MITUTOYO con apreciación de centésimas de

milímetro, se han medido las dimensiones (altura y diámetro) de las probetas. El

diámetro se ha medido en tres alturas tomando 4 lecturas en la zona media y 2 en

cada una de las bases. La altura del compacto se ha medido en 8 lugares alrededor

del mismo.

3.5.2.2 DENSIDAD ABSOLUTA

La determinación de la densidad absoluta se ha realizado mediante cálculos

teóricos. Para esto es necesario conocer la microestructura del material así como las

proporciones de cada una de las fases presentes, lo cual obliga a hacer suposiciones

con un mínimo de lógica acerca de la evolución microestructural del material con el

procesado de consolidación. Además, se han comprobado estos resultados midiendo


94

la porosidad mediante análisis de imagen. En los casos en los que el tamaño de los

poros es muy reducido se ha desechado esta medición experimental por la alta

introducción de errores.

3.5.2.3 DENSIDAD RELATIVA

A fin de poder comparar las propiedades relacionadas con la densidad, tales como la

porosidad, se ha calculado la densidad relativa (ρrel) de los compactos cilíndricos en

cada tipo de material.

[ ]abs

aprel ρ

ρρ 100% =

donde apρ es la densidad aparente y absρ es la densidad absoluta.

3.5.2.4 DUREZA BRINELL

La dureza Brinell ha sido medida tanto tras la etapa de prensado como después del

sinterizado. Las medidas se han llevado a cabo según las consideraciones de la

norma MPIF Standar 43 “Determination of the apparent hardness of powder

metallurgy products” y las correspondientes ASTM E 10 y UNE-EN ISO 6506-

1:2000. Se han realizado 4 huellas en cada compacto y a partir de la medida de las

dimensiones de dichas huellas se ha calculado la dureza.

Para las medidas de dureza se ha empleado un indentador con punta esférica de

carburo de wolframio de Ø2.5 mm. En función de la dureza del material se han

aplicado cargas de 31.25 kg y 62.5 kg, las cuales, junto con el penetrador de

Ø2.5 mm, dan lugar a medidas de dureza HB5 y HB10, respectivamente. Estos

ensayos han sido realizados con una máquina universal de ensayos de dureza

EMCO-M4U-025 (Fig 3.18).

Con el objeto de observar mejor las huellas

preparado los compactos mediante un ligero desbaste en seco con lija de CSi Nº

1000. Las medidas se han realizado usando las dos bases de los compactos

cilíndricos, una para las 4 huellas correspondientes a la medida de du

prensado y la otra para las 4 medidas en los compactos sinterizados.

3.5.2.5 ENSAYO DE TRACCIÓN

Para realizar este ensayo se ha empleado una máquina universal de ensayos

INSTRON 5505 con célula de carga de 100

dotada de las correspondientes mordazas para el ensayo de tracción (

La máquina universal está controlada mediante

suministrado por la empresa fabrican

software permite llevar a cabo

experiencia. Esto nos permite obtener propiedades del material tales como:

resistencia a tracción, deformación experimentada, límite elástico y módulo de

Young.

95

Fig 3.18. Durómetro universal.

Con el objeto de observar mejor las huellas producidas en las probetas se han



cilíndricos, una para las 4 huellas correspondientes a la medida de du


ENSAYO DE TRACCIÓN


INSTRON 5505 con célula de carga de 100 kN y un extensómetro de 25

las correspondientes mordazas para el ensayo de tracción (

iversal está controlada mediante un ordenador a través del software

suministrado por la empresa fabricante del equipo de ensayo. Además del control,

software permite llevar a cabo la captura y análisis de los datos resultantes de la

Esto nos permite obtener propiedades del material tales como:

a tracción, deformación experimentada, límite elástico y módulo de

Capítulo III

producidas en las probetas se han



cilíndricos, una para las 4 huellas correspondientes a la medida de dureza tras el



kN y un extensómetro de 25 mm,

las correspondientes mordazas para el ensayo de tracción (Fig 3.19).

través del software

te del equipo de ensayo. Además del control, el

la captura y análisis de los datos resultantes de la

Esto nos permite obtener propiedades del material tales como:

a tracción, deformación experimentada, límite elástico y módulo de

Fig 3.19

Las probetas de tracción, antes de ser sometidas al ensayo, son marcadas con líneas

separadas entre si, aproximadamente, 25

3.20).

Fig 3.20. Marcas realizadas sobre probetas de tracción para medir el alargamiento.

De este modo, a partir de las medidas de la separación entre lí

del ensayo se puede determinar la deformación remanente que queda tras la rotura.

Para aumentar la exactitud de la medida se ha usado el dispositivo óptico del

durómetro ZWICK 3212


96

19. Máquina universal de ensayos INSTRON 5505.


aproximadamente, 25 mm desde cada uno de los extremos

. Marcas realizadas sobre probetas de tracción para medir el alargamiento.

De este modo, a partir de las medidas de la separación entre líneas antes y después

eterminar la deformación remanente que queda tras la rotura.


con la lente de 40X (Fig 3.21).



mm desde cada uno de los extremos (Fig

. Marcas realizadas sobre probetas de tracción para medir el alargamiento.

neas antes y después

eterminar la deformación remanente que queda tras la rotura.


La expresión utilizada para calcular el alargamiento tras la rotura es:

donde l f es la distancia final del intervalo de 25

rotura y l0 la longitud del mismo intervalo antes de someter la probeta al ensayo.

Además de esta medida manual del alargamiento, el ensayo de tracción se realiza

con ayuda de un extensómetro de 25

compacto por unidad de tiempo (

Fig 3.22. Montaje de las probetas y el extensómetro durante el ensayo de tracción.

97

Fig 3.21. Microdurómetro.


[ ]0

0100%l

lll f −

⋅=∆

es la distancia final del intervalo de 25 mm en el que se haya producido la

la longitud del mismo intervalo antes de someter la probeta al ensayo.


extensómetro de 25 mm que permite recoger las deformaciones del

compacto por unidad de tiempo (Fig 3.22).

. Montaje de las probetas y el extensómetro durante el ensayo de tracción.

Capítulo III


mm en el que se haya producido la

la longitud del mismo intervalo antes de someter la probeta al ensayo.


mm que permite recoger las deformaciones del

. Montaje de las probetas y el extensómetro durante el ensayo de tracción.


98

Por otra parte, la resistencia a la tracción se determina como:

[ ] [ ][ ]2

81,9

mmea

kgCMPaR

⋅⋅=

Siendo a y e los valores de las dos dimensiones de la sección (ancho y espesor) de

la probeta de tracción y C el valor de la carga de rotura.

El control del ensayo ha sido por carga fijando una velocidad de 100 N/s.

3.5.2.6 CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL.

3.5.2.6.1 Microscopía óptica

A pesar de la gran variedad existente de sofisticados microscopios electrónicos, la

microscopía óptica sigue siendo una técnica muy útil para el estudio

microestructural de los materiales. Los microscopios electrónicos de transmisión

(TEM) y de barrido (SEM), superan con creces dos de las más importantes

limitaciones de los microscopios ópticos, a saber, resolución y profundidad de

campo. Sin embargo, el estudio de un material, hace necesaria una visión global de

su microestructura, comenzando por su observación macroestructural, para,

progresivamente, emplear técnicas que permitan una mayor magnificación y

resolución. Por tanto, el microscopio óptico es un eslabón fundamental en la cadena

de la caracterización estructural de los materiales, sin el cual se pierde información

básica acerca ellos.

Capítulo III

99

Fig 3.23. Microscopio óptico NIKON EPIPHOT 200.

Se ha utilizado el microscopio óptico NIKON EPIPHOT 200 (Fig 3.23). Este

modelo tiene oculares de 10X y objetivos de 5X, 10X, 20X, 40X y 100X. La

captación de imágenes se realiza, mediante una cámara digital NIKON CoolPix 950

y una cámara de video a color de alta resolución Sony SSC-C370P.

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3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3. …bibing.us.es/proyectos/abreproy/4924/fichero/Capitulo+3.pdf · Las variables que intervienen en el proceso de molienda ... como en flujo continuo,