feria mexicana de ciencias e ingenierías 2010
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Feria Mexicana de Ciencias e Ingenierías 2010
“Mejoramiento de la calidad de las aleaciones de aluminio
Zoila Iris Hernández Ramirez
Edad: 22 años
Benito Juàrez No. 22, San Andrés Cuexcontitlàn, Mex.
Tel. 722 179 6280 Correo electrónico: musa22.osiris Hotmail.com
Georgina Mateo Dávila
Edad: 20 años
San Antonio Nixini, Jiquipilco, México
Tel. 7121328050 Correo electrónico: mar_gina23 hotmail.com
Fátima Gerónimo Gómez
Edad: 22 años
San Francisco Cheje, Jocotitlán, México
Tel. 7121072936 Correo electrónico: fadic_3088 hotmail.com
Asesor: Ing. Francisco Díaz Camacho
Area: Ingeniería Industrial
REPORTE TECNICO
Pregunta o problema
¿Es posible producir laminillas de aleaciones de aluminio nanoestructuradas a nivel industrial?
Metas de Ingeniería
La generación de laminillas de aleaciones de aluminio nanoestructuradas han sido hasta ahora producidas por el método de melt spinning a escala de laboratorio con fines de investigación, siendo necesario implementar un proyecto a nivel industrial que lo haga más productivo para la obtención de partes pequeñas para la Industria automotriz, aeronáutica y de piezas componentes de maquinaria.
Planteamiento del estudio o investigación
Este proyecto es continuación del estudio realizado para producir aleaciones de aluminio nanoestructuradas por el método de melt spinning, en donde el objetivo era validar que el mejoramiento de la resistencia de las aleaciones de aluminio era posible al obtener aleaciones con tamaño de grano en nanómetros. Ahora el planteamiento se dirige a proponer un sistema productivo continuo para la producción de laminillas de estas aleaciones.
Objetivos específicos
1.- Proponer un sistema para la producción continua de laminillas de aleaciones de aluminio nanoestructuradas. 2.- Documentar los datos técnicos necesarios para la propuesta del sistema.
1
Procedimientos PROCESO DE MELT SPINNING Las aleaciones que se procesan mediante solidificación rápida por la técnica de melt-spinning suelen ser fragmentos de lingotes masivos de la composición deseada, a menudo elaborados previamente mediante técnicas convencionales o, en ocasiones, por metalurgia de polvos. El procesamiento del material mediante la técnica de melt-spinning se desarrolla de la siguiente manera: se introduce el lingote de la aleación de partida en un crisol de cuarzo (figura 1), luego se funde el lingote en su interior empleando para esto un horno de inducción; una vez fundido el material (en una atmosfera de argón para evitar oxidaciones) se eyecta por el orificio inferior del crisol mediante una sobrepresión aplicada. El chorro de material desalojado del crisol se enfría bruscamente al tomar contacto con la rueda de cobre, que gira por debajo del crisol, con una velocidad tangencial dada (velocidad de sustrato).
Figura 1: Esquema del dispositivo de fabricación de cintas mediante solidificación rápida conocido como melt-spinning.
Los parámetros más importantes a controlar en el proceso de melt-spinning son: La velocidad del sustrato, el diámetro del orificio del crisol, la sobrepresión de eyección del material fundido y la temperatura del material antes de ser eyectado. La velocidad del sustrato es el parámetro que tiene mayor incidencia en la tasa de enfriamiento y por ende en la microestructura de las cintas procesadas (Fig. No. 2). Este es, además, el parámetro de mayor incidencia en las dimensiones de las cintas. La metodología adoptada para encontrar las condiciones del proceso que optimizan las propiedades mecánicas de las cintas (para una dada composición), consiste en variar la velocidad del sustrato mientras se mantienen los otros parámetros constantes. Como la temperatura de fusión de los lingotes tratados depende del tipo de material, la temperatura de procesamiento no se mantiene constante; en todos los casos se mantiene próxima a la temperatura de fusión del material. Para algunos casos de prueba, los valores de los parámetros fijos son: diámetro del orificio inferior del crisol = 0. 8 mm, sobrepresión del material eyectado= 0. 125 Tor. Las velocidades de sustrato varían entre 5 y 25 m/s según el caso. La figura 2 muestra un lingote de dimensiones típicas (izquierda), junto a las cintas que posteriormente se obtienen cuando el lingote se procesa por melt spinning. En este caso las cintas se procesaron a 23 m/s [1] partiendo de una aleación con un contenido nominal de 30% Vol. Fe, siendo el equipo y método del proceso similar para aleaciones de aluminio.
2
Figura 2: Lingote de dimensiones típicas y cintas
que resultan del proceso de melt-spinning Estas porciones de material son introducidas en un tubo de cuarzo (figura 1) en cuyo extremo cónico se ha realizado un orificio o ranura de dimensiones determinadas. La abertura está localizada justo sobre una rueda metálica de radio conocido a una distancia establecida. La aleación se funde mediante inducción de alta frecuencia por medio de un solenoide que envuelve al tubo de cuarzo. Una vez fundida la aleación y alcanzada la temperatura deseada, la mezcla se expulsa a través de la boquilla gracias a la presión ejercida por un gas inerte.
Para una producción a nivel Industrial, las
laminillas obtenidas por el proceso de melt
spinning se pueden moler y moldear por el
procedimiento de compactación isostática en
caliente y las piezas obtenidas se mecanizan a su
forma final. La ventaja que tiene este material es
que se pierde poca resistencia mecánica al volver
a calentarse [4].
Debido al tamaño y forma de las muestras, que consisten en cintas de 1 mm de ancho con propiedades bastante uniformes y espesores entre 20 y 30 µm, su comportamiento mecánico se evalúa mediante ensayos de micro dureza y análisis fractográfico [3]. Existen varios métodos de obtención de este tipo de material, pero el más antiguo y más usado hoy en día es el de la fundición templada. Este método tiene algunas variaciones que han llevado a otros métodos, siendo entre ellos el que presentamos en nuestro estudio conocido como melt spinning desarrollado por la empresa Pratt y Whitney [2].
Varios grupos de investigadores industriales han realizado estudios sistemáticos de las aplicaciones de las aleaciones rápidamente solidificadas. En este sentido, la empresa Allied Corporation [1] ha desarrollado un nuevo tipo de aleación de aluminio muy resistente, obtenida por enfriamiento rápido, que guarda una buena relación de resistencia a peso. Las aleaciones de aluminio enfriadas rápidamente pueden desplazar a las de titanio para fabricar ciertas partes del compresor de las turbinas de avión [1].
La virtud que tiene este material es que pierde
poca resistencia mecánica al volver a calentarse
[4], Se logra tres o cuatro veces más resistencia
mecánica a altas temperaturas, pero con menos
peso. El truco está en la densidad: una aleación
de aluminio tiene una densidad de tres, frente a
una de fierro, que tiene 7.8; o de titanio, que
tiene 4.6, proporcionándonos ventajas para la
fabricación de máquinas que consuman menos
combustible o motores más potentes.
3
A pesar de que las técnicas de solidificación rápida datan de casi 40 años, su aplicación a las aleaciones sólo se remonta a algo menos de una década. Aunque el término de solidificación rápida es bastante impreciso, de manera arbitraria se considera que un fenómeno es de solidificación rápida cuando el descenso de la temperatura alcanza valores superiores de hasta 102 K/s, siendo habitual que dicho parámetro sea cercano a los 105 K/s. Una de las técnicas comprendidas en este grupo es la conocida como melt-spinning, método utilizado para la fabricación de las aleaciones en forma de cintas.
Propuesta para un proceso continuo. Actualmente las investigaciones realizadas por científicos para producir materiales metálicos nano estructurados ha sido a nivel laboratorio, en donde el horno está aislado del equipo y posteriormente acarrean el metal liquido hacia el crisol. La carga del crisol es muy pequeña, siendo de aproximadamente 50 a 100 grs. De metal y una vez expulsado este material del crisol, se tiene que volver a cargar para una nueva dispersión. De esta manera podemos darnos cuenta de lo improductivo que es el proceso, siendo por lo tanto nuestra necesidad de diseñar un sistema [5] que abastezca de manera continua al equipo de melt spinning y poder aspirar a industrializar este proceso. En la fig. 3 observamos el sistema propuesto. Iniciamos con un crisol de grafito con capacidad de 100 lts. de aluminio liquido, en donde será recibida la carga previamente preparada en un horno de inducción, siendo continuamente alimentado conforme el metal se vaya procesando en la máquina de melt spinning.
El metal líquido es transportado por un ducto a
la cámara mediante presión hidráulica. Debido a
que las aleaciones de aluminio corroen el acero
comercial, el ducto deberá por lo tanto de ser
fabricado de acero inoxidable 304 o de un
material cerámico, ambos con capacidades para
soportar las condiciones de flujo en estado
líquido de estas aleaciones.
El diseño del ducto comprende además la
adaptación de un sistema de bombeo que
mediante una aspersión controlada por un
dosificador envié a la cámara de melt spinning
la cantidad necesaria para producir las
laminillas.
Figura 3: Sistema continúo de abastecimiento para máquina melt spinning a nivel industrial.
4
ESTUDIO/OBJETIVO DEL SISTEMA
LA FUNCION DE LA MAQUINA ES SUMINISTRAR
METAL LIQUIDO DE MANERA CONTINUA AL
EQUIPO DE MELT SPINNING.
DESCRIPCION GENERAL DE SU FUNCIONAMIENTO.
Bajo determinados valores de presión, succionar
100 grs. Cada minuto del crisol y enviarlo al equipo
de melt spinning.
VARIABLES DE DISEÑO CUALITATIVAS.
A).- Se requieren dos grados de libertad para el
tubo de succión.
B).- El método de alimentación al crisol será
mecanizado.
C).- El método de descarga será controlado.
D).- Fuentes típicas de potencia: Potencia eléctrica
y sistema de presión neumático.
E).- Mecanismo funcionales serán utilizados
únicamente en el tubo de succión.
F).- Los materiales de construcción serán a base de
cerámicos y de conexiones de acero inoxidable.
G).- La disposición estructural en su mayoría será
horizontal.
H).- Se tienen necesidades de control y
automatización para las condiciones de
temperatura del metal y para el sistema de flujo
del material.
I).- Se requiere un sistema de mantenimiento de la
máquina, el que se deberá de hacer en cada lote.
VARIABLES DEL PROCESO
Requerimientos: Flujo continuo y controlado
de material líquido.
Restricciones: Contar con una cámara de gas
inerte para evitar la oxidación del metal.
Evitar que el metal líquido al solidificar pueda
obstruir el canal de abastecimiento.
VARIABLES CUALITATIVAS
A).- Tipo de proceso: Continuo y por lotes.
B).- Servicios públicos requeridos:
Abastecimiento de gas, electricidad y agua.
C).- Localización del proceso: Instalaciones
bajo techo y en zona industrializada
D).- Requerimientos y restricciones para la
operación: Los operarios a laborar en este
trabajo deberán de ser capacitados
previamente.
E).- Requerimientos de control y
automatización: Son indispensables para
controlar las temperaturas de fusión del
metal, tiempos de proceso, sistema de
escorificado, presión de aspersión, succión
controlada y control para el movimiento del
tubo de succión.
F).- Normatividad técnica y legal: Tramitar los
permisos correspondientes para este tipo de
proceso.
5
VARIABLES CUANTITATIVAS.
A).- Ratas típicas de producción: El proceso será
continuo para una carga de 100 kg. De aleación
de aluminio, la cual se alimentara al proceso de
melt spinning de la siguiente manera:
100 Grs. Cada minuto
50 KGS. Por turno de 8 horas
100 KGS. En dos turnos
B).- CARACTERISTICAS CUANTITATIVAS DEL
PRODUCTO:
El producto consiste en cintas de 1 mm. de
ancho con propiedades bastante uniformes y
espesores entre 20 y 30 µm.
C).- CANTIDAD DE MATERIAS PRIMAS POR LOTE.
La carga consistirá de 100 kg. De aleación de
aluminio por lote.
D).- CANTIDAD DE DESECHOS POR LOTE.
La cantidad de escoria resultante del proceso es
del 3.0 al 5.0 % en horno de flama y del 2.0 al
3.0 % en hornos de inducción.
SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE SOLUCION En este paso únicamente existen dos posibilidades: 1.- Que el sistema de presión sea hidráulico o neumático.
6
2.- Que el recipiente o crisol donde serán colocados los 100 Kg. De carga sea parte de un horno de flama o de un horno de inducción (Fig. No. 4). Para el primer caso la desventaja es el alto costo del combustible, pues tendríamos que mantener encendido el horno durante los dos turnos de trabajo, además, la contaminación al medio ambiente es mayor. En el segundo caso se puede adaptar un horno de inducción, con menor contaminación y mayor control de la temperatura del material. INTEGRACION DE SUBSISTEMAS. En este paso deberemos de verificar si los subsistemas elegidos son compatibles de manera funcional para evitar sobe costos y pérdida de tiempo en la ejecución del proyecto. DISEÑO DE DETALLE.
En la siguiente tabla se da una lista de los factores a tomar en cuenta para el diseño de la máquina.
RESISTENCIA
CORROSION
SEGURIDAD
RUIDO
MANTENIMIENTO
CONFIABILIDAD
DESGASTE
UTILIDAD
DURACION
CONTROL
NORMAS Y ESTANDARES
SELECCIÓN DE ELEMENTOS COMERCIALES. El ducto de la máquina diseñada no es de características comerciales, pero su forma no es complicada, sin embargo se deben de seleccionar todos los controles mencionados para que se apeguen a lo existente en el mercado y solicitar la compra de los que se adapten a la máquina.
SINTESIS Y ANALISIS DE PIEZAS MANUFACTURADAS. En base al análisis de los componentes mencionados será necesario evaluar el proyecto y en base a un ciclo iterativo ir haciendo las correcciones o ajustes a condiciones planeadas teóricamente y que en la práctica no resultaran ser funcionales al estarse aplicando. SINTESIS Y ANALISIS DE PIEZA.
Datos de entrada:
* Barra cinematica: Al estar impulsando el
pistón con una fuerza de hasta 0.4142 Mpa a
cada minuto, se hace necesario un análisis de
fatiga y de vibración del sistema.
* Fuerzas: En el interior de la tubería del ducto se estará ejerciendo una fuerza de 0.4142 Mpa o 0.4142 N/mm2 de sección. * Restricciones y consideraciones: Se recomienda una tubería de acero inoxidable por ser un material más dúctil y de mayor resistencia a esfuerzos continuos que los materiales cerámicos. * Factores de servicio: El equipo estará sujeto de manera continua a ambientes de temperaturas de 760°C. Las aplicaciones son basicamente en la alimentación de metal liquido al sistema de “melt spinning” para la producción de laminillas de aleaciones de aluminio. Se considera que si los sistemas de control son de calidad garantizada, estos harán que nuestro sistema sea de alta confiabilidad.
Fig. No. 4: Esquema de un horno de Inducción.
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RESULTADOS
A continuación se enuncian los valores más representativos de nuestra investigación:
1).- FORMA DE LA PIEZA: Como subproducto consiste de metal líquido a presión que entra a la cámara del
sistema de melt spinning.
2).- DIMENSIONES: 100 ml. de metal líquido. Se estima una tolerancia de +/- 10 ml.
3).-ANÁLISIS TÉRMICO:
El análisis térmico considera la temperatura del flujo (aluminio fundido), de 760° C.
Con una convección de flujo de 0.033 Cal/(s-cm2C) y una temperatura ambiente de 30° C
Fig. No. 5: Análisis térmico.
RESULTADOS ANÁLISIS TÉRMICO
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CONCLUSIONES ANÁLISIS TÉRMICO
De acuerdo al estudio podemos observar que las pérdidas de calor no son considerables ya que no afectan
el flujo del material y nos permiten mantener la temperatura y fluidez del material, además da
oportunidad de poder mejorar el sistema por medio de una camisa de asbesto o fibra térmica, para que
exista una menor perdida de temperatura y de esta forma hacerlo más eficiente.
COMENTARIOS FINALES
En esta segunda parte del proyecto se menciono que se plantearía un sistema de trabajo para producir de
manera continua laminillas de aleaciones de aluminio nano estructuradas con el fin de llevar a escala
industrial este proceso. En la fig. 3 se plantea este sistema, con una producción de 50 kgs por turno,
obtenidos de manera continua. Por ser el aluminio un material liviano, esta cantidad de producción sería
suficiente para utilizarse en la producción de 500 tornillos de 100 grs, 166 pistones de 300 grs., 100 bases
para válvulas de alta presión de 500 grs., etc. visualizando así lo productivo que resultaría la producción
obtenida.
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CONCLUSIONES El contenido de elementos de aleación en las laminillas obtenidas por solidificación rápida provoca cambios significativos en la micro dureza debido a que los precipitados son modificados de manera importante. Asimismo la micro estructura obtenida por enfriamiento rápido contiene cristales muy pequeños, con orientaciones diferentes debido al método de solidificación aplicado. Las micro estructuras obtenidas por enfriamiento rápido denotan la existencia de cristales muy pequeños, con orientaciones diferentes debido al método de solidificación aplicado. Manteniendo las condiciones de operación adecuadas es posible implementar un sistema continuo de producción para producir a nivel industrial laminillas de aleaciones de aluminio nano estructuradas. El análisis térmico del sistema corrido mediante simulación mostró resultados satisfactorios en pérdidas de calor, las cuales pueden ser eficientizadas con aislantes térmicos en los ductos de alimentación. El llevar a cabo de manera sistematizada la
preparación de todos los puntos a considerar en el
diseño de una máquina nos permite asegurar el
éxito en su aplicación, rediciéndonos tiempo y
costo en su instalación y arranque, así como
reducir el riesgo de caer en errores al comprar
materiales que no funcionen o no sean utilizados
por falta de apego a una metodología que
comprenda todos los aspectos a considerar, sin
descartar las asesorias de expertos en la
instalación de este tipo de sistemas de trabajo.
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REFERENCIAS
[1] Rubén Santamarta Martínez, Caracterización de aleaciones base Ni-Ti producidas por solidificación rápida (Melt-Spinning), Memoria presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias (especialidad Física) por la Universidad de Balears.Palma, Noviembre de 2001
[2] Orlando Vito Billoni, Procesos de magnetización en materiales compuestos nanoestructurados, Tesis Doctoral Cordoba, Febrero de 2004 [3] Alfonso, I. I; Maldonado, C. II; González, J.G. I; Medina, Efecto de las variables experimentales sobre la microdureza en aleaciones Al-6Si-3Cu-xMg T, A. II Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de México. Instituto de Investigaciones Metalúrgicas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán. Revista Matéria, v. 13, n. 1, pp. 110 – 118, 2008 [4] Fernando Audebert, Articulo, Conicet, Grupo de materiales avanzados de la Facultad de Ingeniería de la UBA, 2008. [5] Andrés Castaño Posada; Hernán Darío Moreno Ramírez. Libro de diseño de máquinas. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Pontificia Bolivariana, Medellin, pp 18-50, 2004.
SOLIDIFICACION RAPIDA Y PREDICCION MICROESTRUCTURAL
Transformaciones de fase de nanoparticulas.
En general, las transformaciones de fase están relacionadas con cambios en las propiedades
físicas y en la mayoría de los casos es la densidad del material la que esta cambiando. En
relación a las partículas, un cambio en la densidad significa un cambio en la superficie. Asi, si la
energía de la superficie de las nonoparticulas es grande, entonces estos cambios pueden tener
una influencia significativa sobre las transformaciones de fase. A la temperatura donde una
transformación de fase ocurre, T trans, la siguiente condición de equilibrio es valida:
Uold – Ttrans Sold + old Aold = Unew – Ttrans Snew + new Anew
En la ecuación anterior, U es la entalpia, S la entropia, la energía superficial y A la superficie de
las fases vieja y nueva respectivamente (siempre referída a un mole). Ahora las preguntas se
dirigirán a si la temperatura de transformación es una función del tamaño de la particula o no.
Esto de alguna manera hizo olvidar la antigua pregunta que fue hecha respecto a la relación con
la cristalización de fases organicas a finales del siglo XIX. Cuando se relaciono con las
nanoparticulas se encontró que este problema fue el mas importante y generalizado a todos los
tipos de transformaciones de fase.
Usando las diferencias Utrans = Hnew – Hold y Strans = Snew – Sold, la ec. Se reduce a
++
Este cambio de superficie esta relacionado con el tamaño de particula; por lo tanto cuando
suponemos partículas esféricas obtenemos para la superficie por mol A= 6M/D, donde M es el
peso molar, la densidad y D el diámetro de la particula. Al hacer esto la superficie por mol
debe ser calculada como una función del tamaño de particula.
Dnew
Usando ------------ = +++
Dold
Para las condiciones de equilibrio obtenemos para la temperatura de transformación
Ttrans = *
Así, usando la abreviación Tcoarse = Utrans/Strans para la temperatura de transformación del coarse
material, finalmente obtenemos:
**
Finalmente la ecuación anterior representa una relación lineal inversa entre la reducción de la
temperatura de transformación de la fase y el tamaño de particula. Asumiendo que la diferencia en el
tamaño de particula antes y después de la transformación es pequeño, esto resulta en la bien conocida e
importante relación:
3.9
Esta ecuación simplemente dice que, en una primera aproximación, la temperatura de la transformación
de fase cambiara inversamente al tamaño de particula (también conocida como Ley de Thomson´s). Como
en el caso del proceso de fundición,
3.10
Es normalmente positivo. Hay una regla que dice que la temperatura de fundición decrecerá con la
disminución del tamaño de particula y esto tiene severas consecuencias para los diagramas de fase de
materiales con nanoparticulas. Cuando consideramos solamente las propiedades de los materiales esta
claro que ahora tiene una transformación de fase al cambiar la temperatura. Cuando consideramos la
transformación inversa, los valores inversos deben de ser utilizados y así cambia de signo. Sin embargo,
como Utrans también cambia de signo, el significado de T remanente no cambia. Aquí, es utilizado
para comparar la conducta de diferentes materiales durante las transformaciones de fase y
consecuentemente la ecuación 3.8 es escrita como
3.11
La consideración anterior no toma en cuenta la expansión térmica y la dependencia de la temperatura
sobre la energía superficial, asi, estrictamente hablando, serán validos solo bajo condiciones isotérmicas.
Aunque la expansión térmica trae una menor corrección, las leyes generales no son cambiadas. Castro et
al. [6] extiende esta aproximación a la fundición de nanoparticulas considerando expansión térmica y la
dependencia de la temperatura sobre la tensión superficial. La gráfica en la figura 3.6 proporciona una
vista general del cambio en la temperatura de fundición del aluminio como una función del tamaño de
particula en una doble escala logarítmica.
El dato en la figura 3.6 demuestra la posibilidad que un material puede cristalizar bien en tamaños de
grano burdos en el rango de nanómetros, pero puede no cristalizar como nanoparticula, como el
abatimiento del punto de fusión debido a la energía superficial puede ser mas grande que la temperatura
de fusión. Este fenómeno es frecuentemente observado en el caso de nanoparticulas cerámicas tales
como Al2O3 o Fe2O3.
Dentro del contexto de transformaciones de fase de partículas pequeñas, la mayoría de los estudios han
sido realizados con respecto a la fundición de partículas metalicas. Previamente, estudios teoricos de la
fundición de nanoparticulas han sido realizados por Pawlow [8], Reiss & Wilsson [7], Hanszen [9], y Zhao
et al. [10], cada uno presenta una teoría única para interpretar los resultados experimentales obtenidos.
Un primer ejemplo – la disminución del punto de fusión del aluminio, una menor fundición del metal – es
demostrado en la figura 3.7, donde datos experimentales sobre el punto de fusión del aluminio como una
función del tamaño de particula son exhibidos [11]. En la figura 3.7 a el punto de fusión es trazado en
contra del tamaño de particula, mientras que en la figura 3.7 b [en asociación con la ecuación 3.7] el
inverso del tamaño de particula es seleccionado como abscisa. Dentro de la precisión de los valores
medidos, esta claro que el punto de fusión de nanoparticulas de aluminio siguen exactamente la teoría
simplificada, al menos en el rango de tamaño de 10 a 40 nanometros. Por comparación, la temperatura de
fusión de materiales con grano burdo es indicada en ambas graficas.
La teoría simplificada para el cambio en la temperatura de transformación como una función del tamaño
de particula explicada anteriormente puede ser extendida. Rearreglando las ecuaciones (3.5) y (3.6)
permite hacer una estimación de la entalpia de transformación como una función del tamaño de
particula.
3.12
Esta formula puede también ser simplificada como la experimentalment y bien demostrada relación
siguiente:
Htrans-nano = Htrans - ( 1 / D )
La cual muestra una disminución en la entalpia para la transformación con la disminución del tamaño de
partícula. En suma para la determinación del punto de fusión de nanoparticulas de aluminio con los
métodos calorimétricos, Eckert et al. [11] también mide la entalpia de fundición como una función del
tamaño de partícula (ver fig. 3.8). En esta figura, la entalpia de fundición es trazada en contra del tamaño
de partícula inversa, así se confirma que la relación lineal entre la entalpia de fundición y el tamaño de
partícula inverso, como fue predicho por las ecuaciones (3.12) y (3.13). The “perfect fits” como se muestra
en las figuras 3.7 y 3.8 son casos algo raros y la mayoría de los datos experimentales muestran mas o
menos desviaciones severas. Por ejemplo, la fig. 3.9ª y b muestran el punto de fusión de nanoparticulas
de plomo para un rango de tamaño de ca. 3 a 50 nanometros [12].
Los datos en la figura 3.9b muestran que la relación lineal antes mencionada entre el punto de fusión y el
tamaño inverso de la partícula es valido aolamente para el rango de partículas muy pequeñas. Hay
muchas razones posibles para esta desviación, incluyendo interacciones con la atmosfera gaseosa
circunvecina y los procesos cinéticos de fundición. Coombes [12] sugiere que iniciada la fundición en una
capa superficial, con un espesor de 3 nm; Así, no fue ninguna sorpresa que una aproximación conveniente
a aproximadamente 1/D = 0.145 nm -1, correspondiera a partículas de diámetro de aproximadamente 7
nm.
Reemplazando la energía superficial por la energía de la interfase solido-liquido, la ecuación de Thomson
se explica de manera simple, el superenfriamiento de líquidos con nuclei para cristalización, a fin de
formar el primer cristal nuclei (nucleación homogénea) la temperatura de la fundición debe ser reducida a
un nivel donde los nuclei más pequeños son formados.
Cuando se considera la cristalización de nanoparticulas metálicas, la transformación de fase (donde la
mayor parte de datos experimentales existen) para la mayoría de los ejemplos produce valores de
menores a 1 (ver ecuación 3.10). Si es menor a 1, el punto de congelación disminuye con el
decrecimiento del tamaño de la partícula y viceversa. Algunos valores típicos son listados en la tabla 3.1
Como podría ser esperado, los valores de en la tabla 3.1 son generalmente menores que 1, y así el punto
de fusión está visto que decrece con la disminución del tamaño de la partícula. El Bismuto podría ser una
excepción, pues muestra una expansión del volumen durante la cristalización (como lo hace el agua); sin
embargo, como los datos publicados para el Bismuto son de un rango amplio y una estimación no tendría
sentido. Porque aun datos informales de similares estimaciones como los dados para algunos metales no
son mostrados para materiales cerámicos. Esta situación puede ser completamente diferente para
partículas metálicas pequeñas en otro metal líquido, donde un incremento en el punto de fusión con un
incremento en el tamaño de la partícula es frecuentemente esperado y observado. La situación puede ser
completamente diferente para los procesos de transformación de fase de nanoparticulas en una matriz
solida, como debe también ser considerado que la matriz circunvecina, la cual confina las partículas, seria
impedido cualquier expansión de volumen.
Conclusiones
1.- El uso del método de solidificación rápida origina valores de microdureza de más de dos veces superior
al presentado por las aleaciones obtenidas por fundición convencional. Su equivalente en resistencia
mecánica es de 479 a 766 MPa.
2.- La velocidad de solidificación no influye en la composición química de los precipitados, pero si sobre su
forma y tamaño.
3.- Debido al alto contenido de elementos de aleación, ocurren procesos de recristalización que originan la
formación y disolución de nanoparticulas que participan de manera activa en el reforzamiento de la
aleación.
4.- El contenido de elementos de aleación en las aleaciones obtenidas por solidificación rápida provoca
cambios significativos en la microdureza debido a que los precipitados son modificados de manera
importante.
5.- La presencia de nanoestructuras es otra causa de la alta microdureza de las aleaciones obtenidas por
solidificación rápida. En la figura 5 las fracciones volumétricas de los precipitados en las aleaciones
obtenidas por enfriamiento rápido es mucho mayor, lo cual se debe al mayor contenido de elementos de
aleación en solución sólida, así como al método de solidificación utilizado. Además, los precipitados que
se presentan procesando las aleaciones por este método son de forma irregular, mientras que los
obtenidos por fundición convencional son de forma definida.
6.- Las microestructuras obtenidas por enfriamiento rápido denotan la existencia de cristales muy
pequeños, con orientaciones diferentes debido al método de solidificación aplicado.
7.- Preparando una aleación con mayores porcentajes de Mn, Fe, Cr o Ti, que le impartan una mayor
dureza a la matriz, existe la posibilidad de aumentar la Resistencia mecánica a los valores deseados. Con
las pruebas realizadas por los Institutos mencionados la Resistencia se incrementa hasta 766 MPa, contra
la aleación 7075 mencionada que tiene 580 MPa de resistencia y un objetivo establecido de 784 MPa
como mínimo.
8.- Los contenidos de Mg son fundamentales para proporcionar ductilidad a la aleación, ya que reducirá el
efecto de fragilidad que le impartirán los elementos que aumentaran su Resistencia.
9.- La clave de la resistencia de las superaleaciones radica en la presencia de cristales de fases con alta
dureza, las cuales para nuestro proyecto que le continuara a nuestra teoría actual tenemos que investigar
de que tipo son cuando enfriamos rápidamente por el método de melt spinning. Nuestra investigación
llegara también a determinar el comportamiento que tienen las posiciones atómicas de los elementos de
aleación, ya que las disposiciones atómicas pueden contener diferentes niveles de energía interna en
dichas fases las cuales pueden dificultar el desplazamiento de las dislocaciones a través de las fases
presentes.
15
10.- Para una producción a nivel Industrial, las laminillas obtenidas por el proceso de melt spinning se
pueden moler y moldear por el procedimiento de compactación isostática en caliente y las piezas
obtenidas se mecanizan a su forma final. La ventaja que tiene este material es que pierde poca resistencia
mecánica al volver a calentarse.
11.- El material a obtener por este método, al igualar las propiedades de resistencia de los aceros
comerciales promedio, puede ser utilizado para fabricar manivelas, perfiles para estructuras de avión,
bielas, piezas de maquinaria, piezas de automóviles y piezas que en general sean sometidas a grandes
esfuerzos y que exijan mucha tenacidad y mediana resistencia.
12.- Por las diversas propiedades que tienen los elementos de aleación, nuestro estudio se torna aun más
interesante para alcanzar los objetivos establecidos, ya que deberemos de hacer las mejores
combinaciones para producir nanoestructuras de mayor resistencia mecánica, buena resistencia a la
corrosión y una tenacidad adecuada para el formado, garantizando la calidad en su funcionamiento. Una
serie de pruebas serán preparadas con la aleación propuesta, cubriendo hasta aquí la investigación teórica
mencionada como nuestro objetivo en el proyecto.
Fuentes de información
(Están incompletas: los libros llevan Autor completo, Titulo, editorial, año, No de
edición, paginas. Además deben de enumerarse consecutivamente o ponerlos en orden
alfabético.)
Ciencia de los materiales J. C. Anderson K. D. Leaver Editorial Limusa, 2000 El aluminio y sus aleaciones Frank King CARACTERIZACIÓN DE ALEACIONES BASE NI-TI PRODUCIDAS POR SOLIDIFICACIÓN RÁPIDA (MELT-SPINNING) Rubén Santamarta Martínez Memoria presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias (especialidad Física) por la Universidad de Balears.Palma, Noviembre de 2001
Procesos de magnetización en materiales compuestos nanoestructurados Orlando Vito Billoni Tesis Doctoral Cordoba, Febrero de 2004 A.I. Oliva “Nuevas propiedades físicas de materiales nanoestructurados”. Ingeniería, Vol. 9 No. 3 (Sep-Dic) 39-46 (2005). (Artículo) Hungary Academy of sciences Research Institute for solid state physics and optics Selmeci Bela 2009-04-29 Efecto de las variables experimentales sobre la microdureza en aleaciones Al-6Si-3Cu-xMg T6 ALFONSO, I. I; MALDONADO, C. II; GONZÁLEZ, J.G. I; MEDINA, A. II Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de México. Instituto de Investigaciones Metalúrgicas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán. Revista Matéria, v. 13, n. 1, pp. 110 – 118, 2008
Propuesta para un proceso continuo. Actualmente las investigaciones realizadas por científicos para producir materiales metálicos nano estructurados ha sido a nivel laboratorio, en donde el horno está aislado del equipo y posteriormente acarrean el metal liquido hacia el crisol. La carga del crisol es muy pequeña, siendo de aproximadamente 50 a 100 grs. De metal y una vez expulsado este material del crisol, se tiene que volver a cargar para una nueva dispersión. De esta manera podemos darnos cuenta de lo improductivo que es el proceso, siendo por lo tanto nuestra necesidad de diseñar un sistema [5] que abastezca de manera continua al equipo de melt spinning y poder aspirar a industrializar este proceso. En la fig. 3 observamos el sistema propuesto. Iniciamos con un crisol de grafito con capacidad de 100 lts. de aluminio liquido, en donde será recibida la carga previamente preparada en un horno de inducción, siendo continuamente alimentado conforme el metal se vaya procesando en la máquina de melt spinning.
El metal líquido es transportado por un ducto a la cámara mediante presión hidráulica. Debido a que las
aleaciones de aluminio corroen el acero comercial, el ducto deberá por lo tanto de ser fabricado de acero
inoxidable 304 o de un material cerámico, ambos con capacidades para soportar las condiciones de flujo
en estado líquido de estas aleaciones.
El diseño del ducto comprende además la adaptación de un sistema de bombeo que mediante una
aspersión controlada por un dosificador envié a la cámara de melt spinning la cantidad necesaria para
producir las laminillas.
ESTUDIO/OBJETIVO DEL SISTEMA
LA FUNCION DE LA MAQUINA ES SUMINISTRAR METAL LIQUIDO DE MANERA CONTINUA AL EQUIPO DE
MELT SPINNING.
DESCRIPCION GENERAL DE SU FUNCIONAMIENTO.
Bajo determinados valores de presión, succionar 100 grs. Cada minuto del crisol y enviarlo al equipo de
melt spinning.
VARIABLES DE DISEÑO CUALITATIVAS.
A).- Se requieren dos grados de libertad para el tubo de succión.
B).- El método de alimentación al crisol será mecanizado.
C).- El método de descarga será controlado.
D).- Fuentes típicas de potencia: Potencia eléctrica y sistema de presión neumático.
E).- Mecanismo funcionales serán utilizados únicamente en el tubo de succión.
F).- Los materiales de construcción serán a base de cerámicos y de conexiones de acero inoxidable.
G).- La disposición estructural en su mayoría será horizontal.
H).- Se tienen necesidades de control y automatización para las condiciones de temperatura del metal y
para el sistema de flujo del material.
I).- Se requiere un sistema de mantenimiento de la máquina, el que se deberá de hacer en cada lote.
VARIABLES DEL PROCESO
Requerimientos: Flujo continuo y controlado de material líquido.
Restricciones: Contar con una cámara de gas inerte para evitar la oxidación del metal.
Evitar que el metal líquido al solidificar pueda obstruir el canal de abastecimiento.
VARIABLES CUALITATIVAS
A).- Tipo de proceso: Continuo y por lotes.
B).- Servicios públicos requeridos: Abastecimiento de gas, electricidad y agua.
C).- Localización del proceso: Instalaciones bajo techo y en zona industrializada
D).- Requerimientos y restricciones para la operación: Los operarios a laborar en este trabajo deberán de
ser capacitados previamente.
E).- Requerimientos de control y automatización: Son indispensables para controlar las temperaturas de
fusión del metal, tiempos de proceso, sistema de escorificado, presión de aspersión, succión controlada y
control para el movimiento del tubo de succión.
F).- Normatividad técnica y legal: Tramitar los permisos correspondientes para este tipo de proceso.
VARIABLES CUANTITATIVAS.
A).- Ratas típicas de producción: El proceso será continuo para una carga de 100 kg. De aleación de
aluminio, la cual se alimentara al proceso de melt spinning de la siguiente manera:
100 Grs. Cada minuto
50 KGS. Por turno de 8 horas
100 KGS. En dos turnos
B).- CARACTERISTICAS CUANTITATIVAS DEL PRODUCTO:
El producto consiste en cintas de 1 mm. de ancho con propiedades bastante uniformes y espesores entre
20 y 30 µm.
C).- CANTIDAD DE MATERIAS PRIMAS POR LOTE.
La carga consistirá de 100 kg. De aleación de aluminio por lote.
D).- CANTIDAD DE DESECHOS POR LOTE.
La cantidad de escoria resultante del proceso es del 3.0 al 5.0 % en horno de flama y del 2.0 al 3.0 % en
hornos de inducción.
SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE SOLUCION En este paso únicamente existen dos posibilidades: 1.- Que el sistema de presión sea hidráulico o neumático. 2.- Que el recipiente o crisol donde serán colocados los 100 Kg. De carga sea parte de un horno de flama o de un horno de inducción (Fig. No. 4). Para el primer caso la desventaja es el alto costo del combustible, pues tendríamos que mantener encendido el horno durante los dos turnos de trabajo, además, la contaminación al medio ambiente es mayor. En el segundo caso se puede adaptar un horno de inducción, con menor contaminación y mayor control de la temperatura del material. INTEGRACION DE SUBSISTEMAS. En este paso deberemos de verificar si los subsistemas elegidos son compatibles de manera funcional para evitar sobe costos y pérdida de tiempo en la ejecución del proyecto. DISEÑO DE DETALLE.
En la siguiente tabla se da una lista de los factores a tomar en cuenta para el diseño de la máquina.
RESISTENCIA
CORROSION
SEGURIDAD
RUIDO
MANTENIMIENTO
CONFIABILIDAD
DESGASTE
UTILIDAD
DURACION
CONTROL
NORMAS Y ESTANDARES
SELECCIÓN DE ELEMENTOS COMERCIALES. El ducto de la máquina diseñada no es de características comerciales, pero su forma no es complicada, sin embargo se deben de seleccionar todos los controles mencionados para que se apeguen a lo existente en el mercado y solicitar la compra de los que se adapten a la máquina. SINTESIS Y ANALISIS DE PIEZAS MANUFACTURADAS. En base al análisis de los componentes mencionados será necesario evaluar el proyecto y en base a un ciclo iterativo ir haciendo las correcciones o ajustes a condiciones planeadas teóricamente y que en la práctica no resultaran ser funcionales al estarse aplicando. SINTESIS Y ANALISIS DE PIEZA.
Datos de entrada:
* Barra cinematica: Al estar impulsando el pistón con una fuerza de hasta 0.4142 Mpa a cada minuto, se
hace necesario un análisis de fatiga y de vibración del sistema.
* Fuerzas: En el interior de la tubería del ducto se estará ejerciendo una fuerza de 0.4142 Mpa o 0.4142 N/mm2 de sección. * Restricciones y consideraciones: Se recomienda una tubería de acero inoxidable por ser un material más dúctil y de mayor resistencia a esfuerzos continuos que los materiales cerámicos. * Factores de servicio: El equipo estará sujeto de manera continua a ambientes de temperaturas de 760°C. Las aplicaciones son basicamente en la alimentación de metal liquido al sistema de “melt spinning” para la producción de laminillas de aleaciones de aluminio. Se considera que si los sistemas de control son de calidad garantizada, estos harán que nuestro sistema sea de alta confiabilidad.
Fig. No. 4: Esquema de un horno de Inducción.
RESULTADOS
A continuación se enuncian los valores más representativos de nuestra investigación:
1).- FORMA DE LA PIEZA: Como subproducto consiste de metal líquido a presión que entra a la cámara del
sistema de melt spinning.
2).- DIMENSIONES: 100 ml. de metal líquido. Se estima una tolerancia de +/- 10 ml.
3).-ANÁLISIS TÉRMICO:
El análisis térmico considera la temperatura del flujo (aluminio fundido), de 760° C.
Con una convección de flujo de 0.033 Cal/(s-cm2C) y una temperatura ambiente de 30° C
Fig. No. 5: Análisis térmico.
RESULTADOS ANÁLISIS TÉRMICO
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CONCLUSIONES ANÁLISIS TÉRMICO
De acuerdo al estudio podemos observar que las pérdidas de calor no son considerables ya que no afectan
el flujo del material y nos permiten mantener la temperatura y fluidez del material, además da
oportunidad de poder mejorar el sistema por medio de una camisa de asbesto o fibra térmica, para que
exista una menor perdida de temperatura y de esta forma hacerlo más eficiente.
COMENTARIOS FINALES
En esta segunda parte del proyecto se menciono que se plantearía un sistema de trabajo para producir de
manera continua laminillas de aleaciones de aluminio nano estructuradas con el fin de llevar a escala
industrial este proceso. En la fig. 3 se plantea este sistema, con una producción de 50 kgs por turno,
obtenidos de manera continua. Por ser el aluminio un material liviano, esta cantidad de producción sería
suficiente para utilizarse en la producción de 500 tornillos de 100 grs, 166 pistones de 300 grs., 100 bases
para válvulas de alta presión de 500 grs., etc. visualizando así lo productivo que resultaría la producción
obtenida.