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Ejemplo de tesis para realizar mas investigaciones acerca de las espumas metalicas
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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¡No te pierdas las partes importantes!
Dr. ALEJANDRO CRUZ RAMÍREZ
Ciudad de México, Octubre 2017
A mi madre Yolanda Martínez
Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor incondicional, comprensión y por darme siempre lo mejor.
A mi padre José Romero (QEDP) Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante, por su sabios consejos y la gran paciencia que me tenia y por darme siempre lo mejor, y más que nada su amor incondicional.
A mis maestros. Por su gran apoyo y motivación para la culminación de mis estudios profesionales.
A mi asesor Dr. Alejandro Cruz Ramírez
Por el gran apoyo que me brindo durante este tiempo, por la dedicación y compromiso que adquirió, por su tiempo y consejos, y ante todo su gran amistad.
A mi querida escuela ESIQIE
Por haberme brindado la posibilidad de ingreso, y así mismo demostrar mis capacidades y culminar con una etapa muy importante en mi vida.
Y a todas aquellas personas que estuvieron a lo largo de mi camino y que fueron de gran apoyo, no existen las palabras para agradecer todo lo que hicieron por mi y de corazón muchas gracias.
Josefina Romero Martínez
Resumen .................................................................................................................. i Lista de Fig. .............................................................................................................. ii
Resumen
Los metales celulares, debido a sus poros, poseen una serie de inusuales propiedades comparadas con su estructura en masa. La principal propiedad es la excelente combinación de propiedades mecánicas (resistencia y rigidez) y bajo peso. Además, los metales celulares absorben altas energías de impacto, son muy eficientes aislantes del sonido, poseen propiedades de blindaje electromagnético y amortiguamiento de vibraciones. En este trabajo se fabricaron espumas de aleación de aluminio A356 vía líquida mediante la adición de 0.5 y 1.5 % de carbonato de calcio como agente espumante y 1% alúmina como agente espesante. Las espumas obtenidas se caracterizaron mediante técnicas de microscopia óptica y electrónica de barrido con microanálisis. El comportamiento mecánico de las espumas se evaluó mediante ensayos de compresión. Se determina que la densidad relativa promedio de las espumas disminuyó de 0.314 a 0.1416; mientras que la porosidad aumento de 68.54 a 85.40 cuando se incrementó el contenido de agente espumante de 0.5 a 1.5% CaCO 3. El tamaño de celda promedio obtenido disminuyo de 703 a 509 micras, al incrementar el contenido de agente espumante. Se detectaron partículas adheridas a las paredes de las celdas, las cuales se identificaron como partículas de CaO o de CaCO 3 sin reaccionar y aumentaron su proporción al aumentar el contenido de agente espumante. Las propiedades mecánicas evaluadas de esfuerzo de cedencia, módulo de Young y capacidad de absorción de energía disminuyeron al aumentar el contenido de agente espumante, esto se atribuye a la gran cantidad de partículas adheridas a las espumas, las cuales disminuyen su resistencia.
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Lista de Fig.
Fig.1 infiltración por gravedad y presión hidrostática .............................................. 8 Fig. 2 Esquema proceso de obtención de esponjas metálicas por micro-fusión ..... 9 Fig. 3 Esquema de infiltración por aceleración centrifuga ..................................... 10 Fig. 4 Esquema de la fabricación de espumas Al por inyección de gas ................ 12 Fig. 5 Esquema de la fabricación de espumas por el proceso de Alporas ............ 13 Fig. 6 Esquema de las etapas de la metalurgia de polvos .................................... 14 Fig. 7 Proceso DUOCEL usando un polímero como precursor ............................. 16 Fig. 8 Fabricación de una espuma por castering................................................... 17 Fig. 9 Esquema del proceso de CVD para crear espumas INCO.......................... 18 Fig. 10Etapas en la curva esfuerzo-deformación de una espuma metálica sujeta a esfuerzo de compresión………………………………………………………………… Fig. 11 Diagrama de flujo del proceso experimental ............................................. 27 Fig. 12 Proceso de obtención de espuma metálica con aidición de agente espumante............................................................................................................. 28 Fig. 13 Probetas obtenidas de acuerdo a la norma DIN 50134 ............................. 29 Fig. 14 Espumas obtenidas con diferentes adiciones de CaCO 3 .......................... 31 Fig. 15 Micrografías obtenidas de la espuma con adición de 0.5% CaCO 3 .......... 33 Fig. 16 Micrografías obtenidas de la espuma con adición de 1.5% CaCO 3 .......... 34 Fig. 17 Fotomicrografías de la espuma obtenida adicionando 0.5% CaCO 3 ……..3 6 Fig. 18 Fotomicrografías de la espuma obtenida adicionando 1.5% CaCO 3 …….3 6 Figura 19 Análisis MEB - EDS de la espuma obtenida a 0.5% CaCO 3 ………………………………………………………………………………..….3 7 Fig.20 Análisis MEB-EDS de la espuma obtenida a 1.5% CaCO 3 ………..……...3 8 Fig. 21 Grafica esfuerzo-deformación de tres muestras de la espuma fabricada con 0.5% CaCO 3 ………………………………………………………………………….. 40 Fig. 22 Grafica esfuerzo-deformación de tres muestras de la espuma fabricada con 1.5% CaCO 3 ………………………………………………………………………… Fig. 23 Curva promedio esfuerzo-deformación de la espuma fabricada con 0.5% CaCO 3 ……………………………………………………………………………… Fig. 24 Curva promedio esfuerzo-deformación de la espuma fabricada con 1.5% CaCO 3 ……………………………………………………………………………...
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Los metales celulares representan en la actualidad una atractiva clase de materiales, que ofrecen una gran variedad de aplicaciones funcionales y estructurales. Las espumas metálicas han existido por muchas décadas. Como tales, son una clase bien desarrollada de los materiales de ingeniería que pueden ser producidas por muchas técnicas en una variedad de formas. Las espumas metálicas ofrecen una serie de propiedades extraordinarias, muchas de ellas altamente reproducibles. Las propiedades se pueden combinar y adaptar a producir nuevos perfiles de propiedades para diversas aplicaciones. Algunas espumas se pueden producir con propiedades predefinidas, dependiendo de la aplicación prevista, variando el material y la estructura interna.
Los metales porosos son el resultado de la combinación de gases y metal, donde los gases en forma de burbujas ocupan entre un 50 % y un 90 % de la estructura total, por lo que se consiguen densidades muy bajas (entre 0.03-0.2 g/cm^3 ), con propiedades que son, por un lado, características del metal del que están formados y, por otro, derivadas de su peculiar estructura. El resultado es un material que brinda diversos intervalos de propiedades térmicas, mecánicas y acústicas que son especialmente interesantes en aplicaciones de estructuras ultraligeras, así como sistemas de alta resistencia al impacto, elementos de disipación de calor y aislamiento acústico.
Una técnica de fabricación vía líquida consiste en adicionar compuestos sólidos al metal fundido, los cuales se descomponen a la temperatura del proceso liberando gas, el cual permite la espumación.
En particular, las espumas de aluminio poseen interesantes combinaciones de propiedades mecánicas y físicas, como una alta tenacidad y baja densidad, lo cual resulta atractivo para las industrias automotriz, aeroespacial y naval. También son utilizables en construcciones civiles en general, ya que estos materiales poseen buena capacidad para absorber ruidos, alta rigidez específica y muy buena estabilidad térmica, sumadas a una baja densidad [1].
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El término espuma está, generalmente, referido a la dispersión de burbujas de gas en un líquido. Si la morfología de una espuma puede mantenerse después de la solidificación del líquido se obtiene una espuma sólida. El proceso de formación de espumas metálicas requiere que se lleve a cabo a partir del metal en el estado líquido a temperaturas cercanas a su punto de fusión para alcanzar condiciones de fluidez adecuadas que permitan la espumación. Los poros que se obtienen son generalmente redondos y aislados unos de otros; sin embargo, cuando los poros forman vacíos interconectados se le denomina también esponja metálica [2].
Las espumas metálicas también se clasifican de acuerdo a su estructura de la siguiente manera: 1) Si los huecos están conectados a través de los poros abiertos, la espuma se describe como de celda abierta y 2) Si los huecos no están conectados a través de canales abiertos, y están separados por paredes sólidas, la espuma es referida como de celda cerrada [2].
Las inclusiones gaseosas dispersas en la matriz metálica no están interconectadas debido a que la espuma se forma inicialmente en fase líquida del metal. Esta morfología minimiza el área superficial y la espuma resultante es la imagen de la espuma líquida solidificada [1].
Las espumas metálicas ofrecen una serie de extraordinarias propiedades, muchas de ellas altamente reproducibles. Las propiedades se pueden combinar y adaptar para producir perfiles de propiedades nuevas para diversas aplicaciones. Al ser materiales de baja densidad, las espumas metálicas pueden reducir el consumo de energía, materiales, y potencialmente reducir los costos. Las espumas de Aluminio poseen alta conductividad térmica y eléctrica y baja capacidad calorífica. Otros atributos incluyen resistencia a la corrosión y oxidación, estabilidad a alta temperatura (hasta 1200 °C), amortiguación acústica, baja capacidad de vibración y blindaje electromagnético [2].
Las primeras patentes de estos materiales comenzaron en los años 50 y hasta 1970 se propusieron muchas variantes de los procesos de espumado. A partir de 1980 gracias a una mayor publicación de resultados se incrementó su fabricación y en nuestros días ha empezado su proceso de comercialización [3].
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II.1 Generalidades
Se tiene conocimiento que el primer registro de espumas metálicas data de 1948, con la patente de Benjamín Sosnick: “Proceso para hacer espuma a partir de una masa metálica”. Su método consideró los diferentes puntos de fusión y de ebullición para formar un sólido lleno de poros cerrados al cual se le denominó como espuma.
En 1958 se obtuvieron las primeras espumas metálicas con poro abierto, mediante el vaciado de aluminio fundido sobre partículas de sal, que posterior a la solidificación, el material compósito (sal-metal) se lixivia en agua para disolver la sal y obtener una espuma metálica con poros abiertos de manera más segura y confiable que el método de Sosnick; sin embargo, este desarrollo se consideró más como curiosidad científica que como un material tecnológico. Posteriormente, se desarrolló otra patente de un método para fabricar espumas metálicas a partir de polvo metálico, el cual era mezclado con un producto que libera gas al descomponerse a alta temperatura, originando la expansión del metal.
Esta mezcla de polvos era compactada, extruida y enfriada, para obtener un metal sólido que contenía un agente en polvo espumante. Cuando este sólido se calentaba a la temperatura de fusión del metal, el agente espumante se descomponía para liberar gas en el metal fundido, creando una espuma metálica. No obstante, enfriar la espuma era un problema, utilizándose agua fría o caliente, volviéndose un desafío la producción de espumas. En 1963, Hardy y Peisker, patentaron un método en el cual agregaban los agentes espumantes directamente al metal semi-fundido mejorando la estructura en el caso de aluminio fundido también agregaron silicio, para aumentar su viscosidad y encapsular el gas.
Este desarrollo permitió un abaratamiento en los costos de producción en comparación a la compactación de polvo. Varios centros de investigación y empresas han trabajado en métodos alternativos para producir espumas y han desarrollado con éxito varios procesos basados en la infiltración, deposición, y otros sistemas, con una amplia gama de costos y propiedades de espumas, los cuales en su mayoría están patentados [3].
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Las espumas metálicas debido a su multifuncionalidad y aporte científico se han constituido en un atractivo campo de investigación de nuevos materiales, creando nuevas perspectivas en las aplicaciones industriales. Por esta razón, en los últimos quince años, la investigación sobre estos materiales se ha extendido a todos los niveles.
Actualmente una gran parte de la investigación de espumas se centra en las espumas de aluminio ya que combinan una baja densidad, resistencia a la corrosión y un punto de fusión relativamente bajo, lo que permite su fácil manipulación. La producción de espumas de níquel, hierro y plomo (los dos últimos, de calidad dudosa) están actualmente en desarrollo [3].
Las espumas a base de aluminio, por otra parte, compiten con los materiales compuestos aportando ventajas de alta rigidez a un menor costo. Sin embargo, el mercado de las espumas metálicas todavía está limitado, debido al costo relativamente alto de producción de espumas de buena calidad [2].
No existe una definición clara y generalmente aceptada del término "espuma". En primer lugar, hay que distinguir entre espumas de líquidos y sólidos. Una espuma líquida consiste en una dispersión fina de burbujas de gas en un líquido. Enfriar una espuma líquida por debajo del punto de fusión del material respectivo produce la solidificación y retención de la estructura porosa, lo que claramente constituye una espuma sólida.
En el contexto de espumas metálicas, al referirse a una espuma metálica se entiende como un material sólido poroso ó espuma sólida formada a partir de la solidificación de un metal líquido. Sin embargo, habitualmente otras estructuras porosas tales como polvos de metal sinterizado a menudo también se denominan espumas, a pesar de que nunca estuvieron en un estado líquido. Por lo tanto, el uso de la palabra "espuma" a menudo se extiende a estructuras metálicas porosas con una alta porosidad con poros cerrados y/o abiertos y estructuras regulares e irregulares, dependiendo del proceso de fabricación utilizado [2].
La proporción entre el espacio vacío y volumen total de una pieza de espuma se conoce como porosidad. La espuma metálica puede tener porosidades muy altas (hasta 0.98 o 0.99). La alta porosidad permite obtener espumas metálicas muy ligeras, haciéndolas
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En algunos casos, una cuarta etapa, como la aplicación de un tratamiento térmico es necesaria para obtener una fase deseada de la matriz metálica.
II.2 Metales celulares
Un metal celular es en esencia un metal que contiene poros en su interior, los cuales pueden o no estar interconectados entre ellos y los que a su vez están constituidos por bordes o paredes que definen la geometría interna y el tamaño de dicho poro. Cuando los poros no se conectan entre sí, significa que son poros cerrados y el metal celular se denomina espuma metálica, por el contrario, cuando se interconectan, significa que son poros abiertos y el material se denomina esponja metálica [4].
El tamaño de poro, la geometría del borde de la celda y el porcentaje de porosidad del material celular, determinan principalmente las propiedades físicas y mecánicas, así como su comportamiento ante diversas condiciones.
Las primeras aplicaciones de estos materiales eran de carácter estructural y buscaban mejorar aspectos como el consumo de combustible para vehículos aéreos, navales y terrestres; reduciendo el peso de la estructura de estos vehículos, sin sacrificar, o muchas veces incluso incrementando las propiedades mecánicas de dicha estructura [5].
Tanto las esponjas como las espumas metálicas presentan características físicas similares que las destacan entre otros materiales, tales como su baja densidad relativa, alta capacidad de deformación y absorción de energía de impacto, así como la capacidad de absorción de vibraciones mecánicas y acústicas [5].
Sin embargo, una de las características fundamentales que diferencian las esponjas de las espumas metálicas es la capacidad que tienen las primeras para ser permeadas por fluidos líquidos o gaseosos dada su condición de poseer poros abiertos, lo cual permite el transporte y manipulación de dichos fluidos en el interior de las esponjas, sin comprometer en gran medida aquellas ventajas compartidas con sus pares de poro cerrado.
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Esta característica permite vislumbrar aplicaciones para las esponjas metálicas en el campo de transporte de gases, intercambiadores de calor para líquidos y gases, catalizadores para tubos de escape, filtros, entre otras [5].
II.3 Procesos de obtención
II.3.1 Infiltración por gravedad y presión hidrostática
El proceso de infiltración por gravedad busca que el metal líquido fluya a través de la preforma por acción de la gravedad, desplazando los gases contenidos en las cavidades de la preforma y llenando los espacios vacíos dentro de ésta.
Para garantizar un llenado completo se debe de tomar en cuenta la fluidez del metal o aleación líquida, el tamaño de la preforma, la mojabilidad sobre la preforma y la remoción del gas contenido en la preforma. Esta técnica no se recomienda para la fabricación de esponjas metálicas con preformas granulares regulares en tamaños inferiores a 2 mm ya que no se garantiza un buen llenado de la preforma, llegando a requerir de la aplicación de una fuerza externa para lograr la infiltración.
La Fig. 1 muestra un esquema de este proceso, se observa que se requiere de una gran columna de metal fundido para obtener una presión suficiente que permita el llenado del molde.
Fig. 1 Infiltración por gravedad asistida por una presión hidrostática.
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por la aceleración centrífuga, obligando al metal a introducirse en los espacios vacíos de la preforma.
La Fig. 3 muestra el esquema de este proceso, el cual requiere el mecanizado de la esponja y remoción de la preforma. El material obtenido debe ser mecanizado previamente a la remoción de la preforma, a fin de evitar daños a la estructura porosa.
A diferencia de la sal, la cual no puede ser lubricada ni refrigerada durante el mecanizado debido a su alta solubilidad en agentes a base de agua, lo cual acelera el proceso corrosivo de los equipos y herramientas, la preforma cerámica soporta por más tiempo los agentes refrigerantes y no constituyen un riesgo de corrosión.
Fig. 3 Esquema de infiltración por aceleración centrifuga.
Por otra parte, los efectos abrasivos sobre la herramienta de corte no son tan notables como los observados con la sal, debido a la débil unión que existe entre las partículas de polvo previamente conformado. El maquinado se lleva a cabo en fresadoras convencionales con herramientas de carburo de tungsteno [2].
II.3.4 Inyección de Gas
No es sencillo obtener espumas mediante burbujeo de un gas en un metal líquido. El “drenado” del líquido, el cual se define como un flujo de escurrimiento del metal a través de las membranas de las celdas causado por la gravedad, ocurre rápidamente al
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interactuar las burbujas de gas con las partículas sólidas adicionadas el metal para estabilizar la formación de la espuma. Si no se controlan adecuadamente los parámetros experimentales de flujo de gas, tamaño, tipo y cantidad de partículas sólidas, la estabilidad de las burbujas se ve afectada, colapsando las mismas.
Se adicionan entre 10 y 30% de partículas SiC o Al 2 O 3 a baños de aleaciones de aluminio, las cuales incrementan la viscosidad del aluminio fundido e impiden el “drenado” en la membrana de burbujas, estabilizando la espuma [6].
Los procesos de inyección de gas son más fáciles de aplicar para aleaciones de aluminio porque tienen una baja densidad y no se oxidan excesivamente cuando el metal líquido es expuesto al aire. Se ha reportado [6] la adición de 5 a 15% en peso de partículas cerámicas de zircón de 0.5 a 25 μm de diámetro en aleaciones de aluminio para incrementar la viscosidad del baño y lograr la estabilización de las burbujas en la fabricación de las espumas.
Una de las variantes posibles es la realizada en los procesos CYMAT e HYDRO que da lugar a las espumas conocidas como MMC (matriz metálica)
II.3.4.1 Esquema de la fabricación de espumas de Al según el proceso del CYMAT e HYDRO
En este método al material fundido se le inyecta gas (generalmente aire, aunque se pueden utilizar dióxido de carbono y gases inertes), para que las burbujas formadas queden atrapadas en el metal fundido. El proceso se aplica principalmente en aleaciones de aluminio ya que se genera demasiada oxidación al exponerlo al aire, además por su baja densidad. Durante el proceso se debe evitar que las burbujas escapen del material fundido, esto se logra incrementando la viscosidad del metal líquido adicionando materiales cerámicos u óxidos de 5 a 15 % en volumen de partículas con diámetros de 0.5 - 25 μm, lo cual impide que las burbujas se drenen estabilizando la espuma. Estas partículas pueden ser de alúmina, carburo de silicio, grafito y di-borato de titanio.
El método está limitado a la fabricación de espumas de aluminio. La Fig. 4 muestra el esquema de fabricación de espumas por inyección de gas [6].
