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CIUDAD DE MÉXICO, OCTUBRE 2017
T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE
INGENIERO EN METALURGIA Y MATERIALES
“Estudio del Efecto de la Adición de
Barita y Wollastonita en la Fabricación
de Espumas de Aluminio”
INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
PRESENTAN
MONICA IVONNE AMADOR ORTEGA
JAIME ALAN COLÍN GARCÍA
ASESOR
DR. ALEJANDRO CRUZ RAMÍREZ
Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales
https://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiT4Z_srfjUAhWDYiYKHdC_DSUQjRwIBw&url=https://sites.google.com/site/matematicasesiqieipn/&psig=AFQjCNG6sDQ8xuKhG1rQ5wVFlunJKXNk7w&ust=1499557628079400https://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiT4Z_srfjUAhWDYiYKHdC_DSUQjRwIBw&url=https://sites.google.com/site/matematicasesiqieipn/&psig=AFQjCNG6sDQ8xuKhG1rQ5wVFlunJKXNk7w&ust=1499557628079400
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Agradecimientos
El tiempo como dimensión física solo medido con la realidad que aportan los sentidos del
humano se mostró veloz ante dos personas que un día imaginaron caminar por el sendero
de esta prestigiosa institución y en un lapso casi instantáneo se sumergieron en una
aventura de conocimiento y realización personal. Es inevitable mirar con nostalgia las
instalaciones de la ESIQIE y darse cuenta que, aunque todo se ha ido en un abrir y cerrar
de ojos, el camino fue largo y complicado, pero muchas personas, profesores,
compañeros etc., aportaron diferentes valores a nuestras vidas. Aún falta mucho que
experimentar, pero hoy queremos ofrecer reconocimiento a todas las personas que
proporcionaron su avidez para ayudarnos a alcanzar esta meta.
A nuestra familia
Por su apoyo incondicional y su gran esfuerzo para impulsarnos a salir adelante,
permitiéndonos forjar nuestro camino como personas y animarnos cada día a no darnos
por vencidos, logrando así aferrarnos a nuestros sueños.
A nuestros profesores
A todos aquellos profesores de esta excelente carrera que nos transmitieron su
conocimiento con paciencia e ímpetu y nos dieron las llaves para realizarnos
profesionalmente.
A el IPN y la ESIQIE
Gracias a esta gran y prestigiosa institución por permitirnos formar parte de ella y a la
escuela que nos brindó momentos inolvidables durante nuestros estudios en estos
últimos años, que se han quedado impregnados en nuestros corazones.
A el Ingeniero Israel Guadarrama Hernández
Por su tiempo y apoyo en el desarrollo experimental de esta tesis, brindándonos su
consejo y amplia experiencia, tomando medidas de seguridad necesarias para
resguardar nuestra integridad física.
-
A la Ingeniera Ivon Contreras Hernández
Por toda su colaboración y ayuda en general durante el desarrollo de esta tesis,
regalándonos su tiempo, dedicación y esfuerzo que sirvieron para agilizar el trabajo aquí
presentado.
A el Dr. Alejandro Cruz Ramírez
Gracias a nuestro profesor y asesor de tesis que nos brindó su tiempo, conocimiento,
experiencia, enseñanzas y orientación en base a esta investigación, permitiéndonos
poner a prueba los conocimientos adquiridos. Ha sido un pilar para nuestra motivación
en el desarrollo de este tema.
-
Contenido
Índice de Tablas ................................................................................................................ i
Índice de Figuras .............................................................................................................. ii
Resumen ......................................................................................................................... vi
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 7
2. ANTECEDENTES .................................................................................................... 10
2.1. Espumas metálicas ........................................................................................... 10
2.1.1. Estructura ...................................................................................... 11
2.1.2. Propiedades generales de las espumas metálicas ....................... 12
2.2. Espumas de Aluminio ........................................................................................ 12
2.2.1. Obtención de una espuma de Aluminio ........................................ 13
2.2.2. Propiedades de las espumas de Aluminio .................................... 25
2.2.3. Aplicaciones de espumas de Aluminio .......................................... 31
2.3. Estado del arte .................................................................................................. 37
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................................ 40
3.1. Materiales y Equipo ........................................................................................... 40
3.1.1. Materiales...................................................................................... 40
3.1.2. Equipo ........................................................................................... 42
3.2. Proceso ............................................................................................................. 46
3.2.1. Aleación base ................................................................................ 47
3.2.2. Espumación .................................................................................. 47
3.2.3. Caracterización de espumas ......................................................... 51
3.2.4. Caracterización de los agentes espesantes y agente espumante 52
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................................. 53
4.1. Resultados de la composición química de la aleación A-356 ............................ 53
-
4.2. Resultados de la caracterización de los agentes espesantes y agente
espumante propuestos ................................................................................................ 53
4.3. Espumas producidas de la aleación A-356 ....................................................... 57
4.3.1. Propiedades estructurales de la aleación A-356 ........................... 62
5. CONCLUSIONES .................................................................................................... 70
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 71
-
i
Índice de Tablas
No. Descripción
1 Ventajas y desventajas del proceso DUOCEL………………………………… 16
2 Ventajas y desventajas del proceso ALPORAS……………………………….. 18
3 Ventajas y desventajas del proceso GASAR…………………………………... 19
4 Ventajas y desventajas del proceso HYDRO/ALCAN….……………………... 21
5 Ventajas y desventajas de proceso ALULIGHT……………………………….. 23
6 Ventajas y desventajas del proceso FORMGRIP……………………………... 25
7 Relación 𝐸/𝜌2 para diferentes estructuras de materiales en comparación
con la espuma de Aluminio…………………………….………………...............
27
8 Composición química de la Aleación A-356……………………………………. 47
9 Parámetros de realización de espumas de la aleación A-356……………….. 47
10 Composición química de la Aleación A-356 fabricada……………………….. 53
11 Efecto de la adición de agente espesante sobre las propiedades físicas
de espumas………………………………………………………………………...
62
12 Efecto de la adición de agente espesante en el tamaño de celda…………... 65
-
ii
Índice de Figuras
No. Descripción
1 (a) Metal celular, (b) Espuma metálica, (c) Esponja metálica y (d) Metal
poroso………………………………………………………………………...........
11
2 Micrografías de espumas de Aluminio de celda abierta y cerrada…............. 11
3 Métodos de producción de espumas metálicas por fusión y por metalurgia
de polvos………..………………………………………………………………….
14
4 Proceso de DUOCEL, usando un polímero como precursor…………..……. 17
5 Método de espumado de líquidos con agentes espumantes…………..……. 17
6 Proceso de producción GASAR…………………………….………………….. 18
7 Estructura de la espuma obtenida por el método GASAR……..……………. 19
8 Proceso continuo para fabricar espumas por inyección de gas……............. 20
9 Proceso ALULIGHT por metalurgia de polvos……………………………..…. 22
10 Espuma de Aluminio obtenida por el proceso ALULIGHT……………..……. 23
11 Proceso del método FORMGRIP………………………………………............ 24
12 Distribución de la densidad……………………………………………..………. 26
13 Diferentes estructuras porosas medidas a diferentes parámetros
espumantes (temperatura y tiempo)……………………………………………
26
14 Propiedades mecánicas de dos espumas de Aluminio con diferente
densidad (a) Modulo de la elasticidad, (b) conductividad térmica y (c)
conductividad eléctrica………………………………..………………………….
28
15 Coeficiente de absorción de sonido de diferentes espumas de Aluminio de
densidad 0.5g/cm3 con estructura de poro abierto con diferente diámetro
de poro (a) en mm, comparado con Aluminio sólido, espuma de PU y
matriz de fibra de vidrio...………………………………………………………...
29
16 Curva de esfuerzo-deformación….…………….………………………………. 30
17 Chasis de espuma metálica…………………………………………………….. 33
18 Cono espacial…………………………………………….………………………. 34
19 Paneles de construcción de espumas de Aluminio…………………………... 36
20 Agentes espesantes: a) Barita, b) Wollastonita…………………….………… 41
-
iii
21 Carbonato de Calcio CaCO3…………………………………………............... 41
22 Pasta de grafito aplicada al molde bipartido………..………………………… 42
23 Hornos de resistencias; a) Horno usado para fundir lingotes de la aleación
A-356, b) Horno usado para la espumación……………………………………
43
24 Equipo de agitación…………………………….………………………………… 43
25 Termómetro EXTECH…...………………………………………………………. 44
26 Molde bipartido……...……………………………………………………………. 44
27 Microscopio óptico.………………………………………………………………. 45
28 Diagrama de flujo del Proceso de Fabricación de espumas de la Aleación
A-356 utilizando agente espesante y espumante……………………………..
46
29 Vaciado de metal fundido a molde bipartido..…………................................. 48
30 Agitación de metal…………………………..………………………………….... 49
31 Reposo de espumación………..…………………………………….…............. 49
32 Enfriamiento con agua a presión……..………………………..….…............... 50
33 Representación del proceso para la realización de una espuma empleando
un agente espumante………….…………………………………..……………..
50
34 Patrones DRX de los agentes espesantes usados, a) Barita y
b) Wollastonita……………………………………….........................................
54
35 Imagen MEB de la morfología (a) de la Barita y microanálisis elemental de
la Barita para (b) Bario; (c) Estroncio; (d) Azufre y (e) Calcio………………..
55
36 Imagen MEB de la morfología (a) de la Wollastonita y microanálisis
elemental de la Wollastonita para (b) Silicio; (c) Calcio; (d) Oxígeno y (e)
Magnesio……………………………………………………..………....................
55
37 Análisis TGA del Carbonato de Calcio (10° C/min, atmosfera de Argón……. 56
38 Espumas de aleación A-356 con la adición de agentes espesantes, a) 1%
de Barita (AB2) y b) 1% Wollastonita (AW2)…………..…..............................
57
39 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente
espumante y 0.5% Barita como agente espesante (AB1). Se observa un
mayor colapso de poros…………………………………..………………………
59
-
iv
40 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente
espumante y 1% Barita como agente espesante (AB2). Espuma con mayor
expansión de la serie AB………………………...............................................
59
41 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente
espumante y 1.5% Barita como agente espesante (AB3). En esta espuma
se generó un vórtice bastante pronunciado………………….…………………
60
42 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente
espumante y 0.5% Wollastonita como agente espesante (AW1). Presenta
mayor agrietamiento debido al colapso de poros……………………………...
61
43 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente
espumante y 1% Wollastonita como agente espesante (AW2). Espuma sin
formación de vórtice………………..……………………………………………..
62
44 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente
espumante y 1.5% Wollastonita como agente espesante (AW3). Presenta
menor fracción metálica y la mayor expansión de ambas series.…………...
63
45 Efecto del contenido de los agentes espesantes en la porosidad de las
espumas fabricadas…………………………………………………...................
63
46 Efecto del contenido de los agentes espesantes en la densidad de las
espumas fabricadas……………………………………………..….....................
64
47 Efecto del contenido de los agentes espesantes en la densidad relativa de
las espumas fabricadas……..…………………………………………………….
64
48 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3
como agente espumante y 0.5% Barita como agente espesante (AB1).
Tamaño de poro grande respecto a la serie AB………………………..……...
66
49 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3
como agente espumante y 1% Barita como agente espesante (AB2).
Tamaño de poro intermedio respecto a la serie AB………………………......
67
-
v
50 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3
como agente espumante y 1.5% Barita como agente espesante (AB3).
Tamaño de poro pequeño respecto a la serie AB……………………..……...
67
51 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3
como agente espumante y 0.5% Wollastonita como agente espesante
(AW1). Tamaño de poro mayor respecto a la serie AW………………………
68
52 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3
como agente espumante y 1% Wollastonita como agente espesante
(AW2). Tamaño de poro pequeño respecto a la serie AW, pero con un
tamaño similar a AW3…………………………………………………………...
68
53 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3
como agente espumante y 1.5% Wollastonita como agente espesante
(AW3). Tamaño de poro mediano respecto a la serie AW……………………
69
-
vi
Resumen
Las espumas metálicas se caracterizan por tener una estructura porosa, estos metales
celulares comienzan a utilizarse principalmente en la industria automotriz, aeroespacial y
de construcción, ya que en comparación con las aleaciones utilizadas convencionalmente
las espumas metálicas presentan densidades más bajas, mayor capacidad de absorción
de energía, bajo peso específico etc. Actualmente las espumas de Aluminio están bajo
estudio debido a que este metal y sus aleaciones tienen una alta demanda comercial,
debido a sus propiedades y reciclabilidad, por lo que se busca reducir los costos en los
procesos de fabricación de espumas.
Se fabricaron dos series de tres espumas metálicas de una aleación de Aluminio A-356
mediante un proceso por vía liquida, utilizando un agente espesante diferente para cada
serie. Para la primera serie, denominada “AB” se utilizó como agente espesante Barita
(BaSO4), donde la espuma “AB1” contiene 0.5%, “AB2” contiene 1% y “AB3” contiene
1.5%. Por otra parte, para la segunda serie denominada “AW”, se utilizó como agente
espesante Wollastonita (CaSiO3), donde la espuma “AW1” contiene 0.5 %, “AW2”
contiene 1% y “AW3” contiene 1.5%. El agente espumante utilizado para todas las
espumas fabricadas fue 1% de Carbonato de Calcio (CaCO3).
Se realizaron micrografías de las espumas, se midió el tamaño de poro y se calculó el
porcentaje de porosidad, donde se encontró que las espumas de la serie de Barita “AB”,
obtuvieron densidades de entre 0.3 a 0,5 g/cm3, densidades relativas de entre 0.1 a 0.2,
un porcentaje de porosidad de 79 a 87% y tamaños de celda de 0.2 a 0.5 mm, mientras
que para la serie de Wollastonita “AW”, las densidades fueron de entre 0.4 a 0.5 g/cm3,
densidades relativas de 0.1 a 0.2, un porcentaje de porosidad de 79 a 83% y por último,
tamaños de celda en un intervalo de entre 0.4 a 0.5 mm.
Se compararon las propiedades antes mencionadas de ambas series. La serie de
espumas con Wollastonita muestra una mayor expansión de metal con un intervalo de 11
a 15 cm y con poros regulares, en comparación con las espumas de la serie Barita que
obtuvieron menor expansión en un intervalo de 10 a 12.5 cm y sus poros son bastante
irregulares y parcialmente cerradas.
-
7
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente la tecnología avanza de manera exponencial lo cual permite la fabricación e
innovación de nuevos materiales, inspirados por la propia naturaleza, en donde los
investigadores buscan emular este tipo de estructuras complejas generando así
materiales con mejores propiedades tanto físicas y químicas, con una amplia gama de
aplicaciones, logrando sustituir a los materiales convencionales (1).
Las aleaciones metálicas se caracterizan por ser materiales con una gran resistencia y
un desempeño elevado en aplicaciones ingenieriles; sin embargo, sus propiedades
pueden ser mejoradas por los metales celulares, los cuales son relativamente nuevos
materiales con propiedades prometedoras; estos metales se caracterizan por ser
ultraligeros, resistentes, rígidos deformables, absorben energía al impacto, absorben
energía acústica etc., esto es debido a su particular estructura celular.
Los metales celulares se dividen en tres tipos:
a) Espumas metálicas. Se originan desde el metal líquido y por consiguiente tienen una
morfología limitada, su estructura se basa en un conjunto de poros parcialmente
cerrados.
b) Esponjas metálicas. Sus poros se encuentran interconectados lo cual forma una
estructura de poros abiertos.
c) Metales porosos. Estos metales presentan poros habitualmente redondos y se
encuentran aislados unos de otros (2).
Debido a su estructura celular cerrada las espumas metálicas basan sus aplicaciones en
funciones de tipo estructural principalmente por su absorción de energía al impacto de
forma homogénea en cualquier dirección y reduciendo la densidad drásticamente lo que
conlleva a estructuras bastante ligeras.
Para fabricar espumas metálicas actualmente existen tres métodos: por fusión (vía
líquida), que son los métodos más relevantes debido a su factibilidad y menor costo, por
metalurgia de polvos y finalmente por depositación fase-vapor (procesos de elevado
costo).
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8
El método por vía líquida se divide en dos medios: el primero por preformas celulares, es
decir se coloca una preforma polimérica que posteriormente es removida como en el caso
del proceso DUOCEL o sin remover la preforma celular mediante el proceso SINTATIC.
El segundo medio consiste en utilizar un gas que puede ser generado dentro de la masa
metálica mediante la descomposición de un agente espumante como en el proceso
ALPORAS o mediante solidificación eutéctica conocido como el proceso GASAR y
finalmente por inyección de un gas en el proceso HYDRO/ALCAN (3).
En estos procesos se obtienen en general valores aproximados de las siguientes
propiedades: densidades en el intervalo de 0.05 a 1.2 g/cm3, tamaño de poro desde 10
ɥm hasta 10 mm y una porosidad de 50 a 97%. Sin embargo, estos procesos son
costosos debido a los equipos y reactivos utilizados.
En la literatura se reporta la fabricación de espumas de Aluminio por los procesos antes
mencionados. ALPORAS es un proceso utilizado industrialmente debido a su gran
producción en masa, sin embargo, los aditivos como el TiH2 utilizado como agente
espumante y Alúmina (Al2O3), Calcio (Ca) y Magnesia (MgO) como agentes espesantes,
son muy costosos y la información de este proceso es muy limitada. Es por ello, que se
han realizado estudios para sustituir dichos aditivos, como es el caso de la investigación
independiente de V. Kevorkijan (3) que demostró con éxito que el TiH2 puede ser sustituido
por CaCO3 obteniendo las mismas propiedades estructurales en las espumas metálicas.
Del mismo modo M. González y colaboradores (4), comprobaron la viabilidad de utilizar
Barita y Wollastonita como agentes espesantes alternativos sustituyendo a los aditivos
usados industrialmente, reduciendo aún más los costos de producción.
En este trabajo se fabricaron espumas de una aleación de Aluminio A-356 con una
estructura de celda cerrada y uniforme, utilizando un método directo de fusión por
descomposición de un agente espumante. El proceso utilizado fue el llamado Alporas. Se
utilizaron dos agentes espesantes alternativos (Barita y Wollastonita) a los utilizados
comercialmente, Al2O3, Ca, MgO, etc. Para elevar la viscosidad del metal y
posteriormente adicionar Carbonato de Calcio (CaCO3) como agente espumante, el cual
se descompone térmicamente a las temperaturas del proceso, liberando burbujas de gas
CO2, que propician la formación de la estructura porosa de la aleación.
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9
Se llevaron a cabo pruebas con porcentajes variables de dos agentes espesantes
diferentes (Barita y Wollastonita) y se determinaron las propiedades estructurales de las
espumas fabricadas.
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10
2. ANTECEDENTES
2.1. Espumas metálicas Los metales celulares son materiales metálicos con una morfología porosa como se
muestra en la Fig. 1. El término más general para referirse a los metales celulares es el
de un cuerpo metálico en el cual un gas es dispersado. La fase metálica se divide en
espacios de celdas cerradas las cuales contienen la fase gaseosa. En un sistema ideal,
las células individuales están separadas una de la otra por metal, pero en realidad esto
no sucede (Fig. 1a). A pesar de que el interés en el uso de este tipo de materiales se ha
ido incrementado, existe confusión en lo que se refiere al término de metal celular, ya que
dependiendo el tipo de celda se tiene un nombre distinto, por lo que Banhart (1, 2) propuso
varias definiciones:
a) Espuma metálica (sólida): son casos especiales de metales celulares. Una
espuma sólida se origina de una espuma líquida en la cual las células son
cerradas, redondas y poliedrales, están separadas una de otra por una capa
delgada (Fig. 1b).
b) Esponja metálica: una morfología de un metal celular en el cual las células están
interconectadas (Fig. 1c).
c) Metales porosos: un tipo especial de metales celulares en el que los poros están
normalmente aislados uno de otros y se caracterizan por tener una superficie lisa
(Fig. 1d).
Cabe destacar que algunos autores utilizan el término espuma metálica para referirse a
los dos tipos de metal celular con celda abierta y celda cerrada, pero también utilizan el
término de espuma metálica para referirse a todos los metales celulares.
-
11
Fig. 1 (a) Metal celular, (b) Espuma metálica, (c) Esponja metálica y (d) Metal poroso
2.1.1. Estructura Las espumas metálicas pueden ser de celda abierta, si sus poros están conectados, o
cerrada en caso de tenerlos separados. La Fig. 2 muestra micrografías de cinco espumas
de Aluminio producidas por algunos de los principales fabricantes de estas, cuatro de
ellas de celda cerrada y una de celda abierta (3).
Fig. 2 Micrografías de espumas de Aluminio de celda abierta y cerrada
a)
b)
c)
d)
-
12
2.1.2. Propiedades generales de las espumas metálicas Las propiedades de una espuma sólida dependen en gran medida de la naturaleza de su
matriz y de su densidad relativa, ofreciendo una combinación única de propiedades del
metal con el que están formadas y las características derivadas de su peculiar estructura.
Por tanto, son materiales con una combinación de propiedades fisicoquímicas y
mecánicas muy especiales, de manera que tienen un conjunto de propiedades que en la
actualidad no poseen otros materiales, tales como (6, 7):
Porosidad cerrada o abierta
Bajo peso específico
Alta capacidad para absorber energía durante la deformación plástica
Reduce la conductividad térmica
Aumenta la conductividad eléctrica
Amortiguación acústica
Reciclable
Maquinabilidad
Baja densidad relativa
Amortiguación de vibraciones
Buena protección electromagnética
Permeabilidad a diferentes fluidos
2.2. Espumas de Aluminio Son varios los materiales base que se pueden utilizar para obtener espumas metálicas
como son Zinc, Aluminio, Estaño, Plomo, Oro, Plata, Níquel, entre otros; sin embargo,
considerando sus excelentes propiedades de resistencia a la corrosión, bajo peso
específico, y sobre todo bajo punto de fusión, el Aluminio muestra un mayor atractivo para
fabricar espumas y en la actualidad es el metal de mayor utilización, tanto en
investigaciones como en aplicaciones industriales (1).
-
13
2.2.1. Obtención de una espuma de Aluminio La fabricación de espumas de Aluminio se lleva a cabo implementando diferentes
tecnologías (8).
2.2.1.1. Métodos de producción Los métodos principales para producir espumas metálicas son los siguientes:
1.- Métodos por fusión: son aquellos en donde la formación de las espumas se presenta
durante el proceso de fundición del metal.
2. Métodos por metalurgia de polvos: las espumas son formadas desde el estado sólido
del metal.
3.-Métodos por depositación de metal: las espumas son formadas dentro de una fase-
vapor.
En cada uno de estos métodos existen variaciones en el tamaño de la celda, morfología
de celda (abierta o cerrada) y diferencias notorias en el costo de producción (9).
La Fig. 3 muestra un diagrama que incluye los diversos procesos de fabricación
desglosando los métodos para la fabricación de espumas metálicas por fusión y por
metalurgia de polvos debido a que actualmente son los más relevantes en las
investigaciones científicas.
-
14
Fig. 3 Métodos de producción de espumas metálicas por fusión y por metalurgia de
polvos
A continuación, se mencionarán los métodos para la fabricación de espumas metálicas,
así como el nombre comercial o patente del proceso.
Fabricación de espumas metálicas por fusión
o Método de inversión usando un polímero como precursor (DUOCEL)
-
15
o Método de fusión por adición de partículas (SINTACTIC)
o Adición de un agente espumante (ALPORAS)
o Solidificando un metal y un gas para formar un eutéctico (GASAR)
o Inyección de gas (CYMAT/HYDRO)
Fabricación de espumas metálicas por medio de metalurgia de polvos
o Estructuras esféricas huecas
o Atrapamiento de un gas por expansión (LDC)
o Métodos de producción de espumas por medio de consolidación de polvos
metalúrgicos (IFAM/ALULIGHT)
o Mediante la adición de un agente espumante (FORMGRIP/FOAMEAST)
Fabricación de espumas metálicas por depositación
o Depositación de metal en preformas celulares por evaporación (INCO)
2.2.1.2. El proceso (DUOCEL) En este proceso se obtienen espumas poliméricas de celda abierta con baja densidad
relativa y un amplio intervalo de tamaño de celda de gran uniformidad (6, 9 ,10).
El proceso consiste en utilizar una espuma polimérica de porosidad abierta en el seno de
un crisol. La espuma polimérica resultante se rellena con un mortero compuesto por
materiales resistentes térmicamente al metal o aleación que se vaciará (mullita, yeso, u
otros materiales refractarios). Posteriormente, se retira la espuma polimérica mediante
un tratamiento térmico, se quema o evapora mediante calor y solo queda el material
refractario con la porosidad adecuada. El metal fundido se vierte en el molde, mediante
una atmosfera de alta presión, para asegurar la total infiltración.
Una vez enfriado el metal en el molde, se debe retirar el material refractario disolviéndolo
mediante agua presurizada u otro medio alternativo lixiviante. La Fig. 4 muestra un
esquema de este proceso.
-
16
Las características de las espumas obtenidas por este proceso son: una porosidad de 80
a 97%, un tamaño de poro abierto entre 1000 y 5000 ɥm y con una densidad relativa de
0.05. La Tabla 1 muestra las principales ventajas y desventajas del proceso DUOCEL.
Tabla 1.- Ventajas y desventajas del proceso DUOCEL
Ventajas Desventajas
-Es uno de los procesos por fusión
donde se puede obtener mayor
porosidad
-Pueden fabricarse espumas metálicas
de metales puros o aleaciones
-Tamaño de poro pequeño.
-Costo alto.
-Se requiere relleno de material refractario
-Control de la solidificación y remoción del molde
para no dañar la estructura de la espuma.
2.2.1.3. El proceso ALPORAS El proceso ALPORAS considera la adición de un agente espumante al seno del metal
líquido, el agente espumante se descompone a la temperatura del proceso liberando un
gas que promueve la expansión del metal (6, 9-12).
Un agente espumante se define como aquel compuesto químico que, por calentamiento
y en ausencia de Oxígeno, se descompone liberando gas, lo que propicia el proceso de
MATERIAL
CERÁMICO
SE DESPRENDE
EL POLÍMERO
METAL FUNDIDO
PRESIÓN
INFILTRACIÓN
LIGAMENTOS
DE METAL
REMOVER EL
MOLDE DEL METAL
LIGAMENTOS
DE POLÍMERO
PREFORMA
S
Fig. 4 Proceso de DUOCEL, usando un polímero como precursor
-
17
espumación en el seno de un metal fundido que después solidifica al enfriarse. Usando
un agente espumante es posible dispersar el gas más uniformemente a lo largo del metal
fundido, dando lugar a un mayor control sobre la localización y tamaño de los poros de
forma que pueden obtenerse de tamaño más pequeño y con una distribución más
uniforme. Los principales agentes espumantes son hidruro de Titanio TiH2 e Hidruro de
Zirconio ZrH2. Las espumas creadas por este método tienen una estructura de células
cerradas. El espumante más utilizado es el TiH2. En primer lugar, el proceso requiere
aumentar la viscosidad del metal fundido para impedir que las burbujas de gas floten, se
unan o escapen al exterior. Esto se logra adicionando polvos cerámicos en la superficie
del metal fundido.
El método fue desarrollado mezclando aproximadamente 1.5 % de Al2O3, Ca o MgO, en
una fundición de Aluminio a 680°C, para aumentar su viscosidad. Después de que el
meta se muestra más viscoso se adiciona 1.6 % de TiH2, el cual libera gas (Hidrógeno) y
Titanio que entra en solución sólida. El esquema del proceso se observa en la Fig. 5.
Fig. 5 Método de espumado de líquidos con agentes espumantes
Las espumas obtenidas por este proceso tienen una porosidad entre 84 a 95%, el tamaño
de poro promedio es de 2 a 10 mm, la densidad se encuentra en un intervalo de 0.18-
0.24 g/cm3. Se pueden fabricar piezas de dimensiones 2050 x 650 x 450 mm con un peso
superior a 160 Kg. La Tabla 2 muestra las ventajas y desventajas del proceso ALPORAS.
1.5 wt. %Ca 1.6 wt. %TiH2
680°C
Engrosamiento
680°C
Espumado
Enfriamiento Bloque de
Espuma Corte
-
18
Tabla 2.- Ventajas y desventajas del proceso ALPORAS
Ventajas Desventajas
-Tamaño de poro uniforme
-Tamaño de poro pequeño
-Fácil de realizar
-Costo elevado por aditivos
-No produce espuma con la geometría específica
2.2.1.4. El proceso GASAR Este método esquematizado en la Fig. 6, aprovecha que algunos metales líquidos forman
un sistema eutéctico con gas de hidrógeno. Si uno de estos metales es fundido en una
atmósfera de Hidrógeno, bajo una elevada presión (arriba de 50 atm.), el resultado es
una fundición homogénea cargada con Hidrógeno. Si la temperatura disminuye, la
fundición eventualmente sufrirá una transición eutéctica a un sistema heterogéneo de dos
fases (sólido-gas) (6, 9, 10, 12).
Fig. 6 Proceso de producción GASAR
El método consiste en fundir las aleaciones y saturarlas con Hidrógeno aplicando presión
y una posterior solidificación direccional. Durante la solidificación el metal, y el gas forman
simultáneamente una reacción eutéctica lo cual da como resultado un material poroso
que contiene grandes filas de poros, alineadas en la dirección de la solidificación.
HORNO
MOLDE
PRESIÓN
H2
CALENTAMIENTO
SOLIDIFICACIÓN
DIRECCIONAL
CRISOL
-
19
La morfología del poro resultante es larga y está determinada por el contenido de
Hidrógeno, la presión bajo la cual se realizó la fusión, la dirección y el gradiente de
extracción de calor, así como la composición química de la fundición.
Las características de la espuma obtenida son: un porcentaje de porosidad de 72%, el
tamaño promedio de poro es uniforme como se observa en la Fig. 7.
Fig. 7 Estructura de la espuma obtenida por el método GASAR
El poro posee un diámetro de 10ɥm hasta 10mm con una longitud de 100ɥm a 300mm.
La Tabla 3 muestra las ventajas y desventajas del proceso GASAR.
Tabla 3.- Ventajas y desventajas del proceso GASAR
Ventajas Desventajas
-Además del Al, la espumación se ha
logrado en Ni, Cu, Mg, Co, Mo, e
incluso materiales compuestos de
matriz cerámica
-La primera parte del material solidificado tiende a
ser mejor en la uniformidad de los poros.
-Produce espumas de menor porosidad en
comparación con los métodos por fusión.
-Fabricación lenta
-Difícil reproducción a escala industrial
-Proceso complejo y costoso
-
20
2.2.1.5. El proceso HYDRO/ALCAN Los metales fundidos pueden espumarse directamente bajo determinadas circunstancias
mediante la inyección de gas en el seno de un líquido. Los líquidos metálicos puros no
producen fácilmente espumas mediante burbujeo, el drenado por gravedad del líquido
suele ocurrir más rápido de lo necesario para obtener la espuma, y las burbujas tienden
a ascender rápidamente hacia la superficie del metal fundido. El proceso HYDRO/ALCAN
se muestra en la Fig. 8. (6, 9-12).
Fig. 8 Proceso continuo para fabricar espumas por inyección de gas
El proceso consiste en incrementar la viscosidad del metal líquido por la adición de
partículas cerámicas (Carburo de Silicio, Alúmina o Magnesia), y posteriormente, se lleva
a cabo la espumación por la inyección de gases (Nitrógeno o Argón) utilizando impulsores
rotatorios, que producen una mezcla viscosa que flota en la superficie del líquido
formando una masa uniforme de burbujas de gas en el líquido. La presencia de las
partículas cerámicas en el líquido hace que la espuma sea relativamente estable. La
extracción y solidificación de la espuma permite obtener planchas continuas de espuma
de la longitud deseada y espesores variables.
Las espumas fabricadas por este proceso presentan un tamaño de poro promedio de 3 a
25 mm y espesor de la pared celular de 50 a 85 ɥm. Los valores de densidad se
encuentran en el intervalo de 0.07 y 0.54 g/cm3 y se obtienen planchas de longitud
ESPUMA DE METAL
INYECCIÓN DE GAS
HORNO
PROPELA
METAL FUNDIDO
-
21
deseada y espesores habituales de 10 cm. La Tabla 4 muestra las ventajas y desventajas
del proceso HYDRO/ALCAN.
Tabla 4.- Ventajas y desventajas del proceso HYDRO/ALCAN
Ventajas Desventajas
-Técnica de fabricación continua
-Pueden obtenerse grandes cantidades de
espuma.
-Proceso económico y relativamente
sencillo
-Los tamaños de poros y la densidad del
producto se pueden modificar variando los
parámetros operacionales
-Dificultades para controlar la dispersión del gas
-Tamaño de poros, tienden a ser muy grandes
-Solo produce planchas de espuma con superficie
irregular
-Se necesita mezclar las partículas cerámicas
-Se limita a pocas aleaciones
2.2.1.6. El proceso (ALULIGHT) Las espumas metálicas también pueden ser obtenidas a partir de polvos metálicos. El
proceso de producción empieza con la mezcla de polvos metálicos con un agente
espumante. La técnica también se ha utilizado para producir espumas de acero, y
estructuras tipo “sándwich” espumadas en un solo paso (6, 9-12).
El proceso consiste en producir un precursor espumante resultado de mezclar partículas
metálicas con un agente espumante y un elemento reforzante para aumentar la
viscosidad del metal fundido tal y como se muestra en la Fig. 9.
-
22
Fig. 9 Proceso ALULIGHT por metalurgia de polvos
Para producir un precursor conveniente se deben comprimir los polvos mezclados en un
bloque relativamente sólido, para que cuando tenga lugar el espumado, el gas no escape
del material. Esto, puede lograrse por compactación de una mezcla de polvos, seguida
por una extrusión en frío. La fricción entre las partículas durante la extrusión destruye las
capas de Óxido y las une.
Alternativamente, la mezcla de polvo se puede compactar en caliente a una temperatura
por debajo de la temperatura de descomposición del agente espumante. En algunos
casos, es posible compactar el polvo a la temperatura de descomposición del agente
espumante, el cual es atrapado en el metal y la descomposición es inhibida por la elevada
presión de compactación.
En un paso siguiente, el precursor se funde dentro de un molde y se calienta a la
temperatura de descomposición del agente espumante. La estructura celular de la
espuma producida con estos precursores es estrechamente dependiente de la
temperatura, la presión, el tiempo de tratamiento y la aleación usada.
POLVOS
METÁLICOS
POLVO DE
AGENTE
ESPUMANTE
MEZCLADO
EXTRUSIÓN
PRENSADO
AXIALMENTE
MATERIALES
PRECURSORES
ESPUMADO
Q
-
23
El siguiente paso es un tratamiento térmico a una temperatura cercana a la del punto de
fusión del material base. El agente espumante, que esta homogéneamente distribuido
por toda la matriz metálica, se descompone y libera gases forzando al material precursor
a expandirse, formando su estructura porosa. El tiempo necesario para una expansión
completa depende de la temperatura y tamaño del precursor y puede tardar unos cuantos
segundos o hasta varios minutos.
La Fig. 10 muestra la espuma obtenida por este proceso la cual posee un porcentaje de
porosidad de 63 a 89%, el tipo de poro obtenido es cerrado y su tamaño promedio es de
1 a 5 mm, los diámetros se encuentran en el intervalo de 1000 y 5000 ɥm y la densidad
relativa es baja de 0.08 g/cm3. La Tabla 5 indica las ventajas y desventajas del proceso
ALULIGHT.
Fig. 10 Espuma de Aluminio obtenida por el proceso ALULIGHT
Tabla 5.- Ventajas y desventajas de proceso ALULIGHT
Ventajas Desventajas
-La técnica se ha usado para producir espumas de Al y sus
aleaciones, Bronce y Cobre con 0.5 y 1% de TiH2 o Na2CO3 como
agentes espumantes, Sn, Zn, Pb, Au entre otros.
-Alto costo debido a
los polvos metálicos.
-
24
2.2.1.7. El proceso FORMGRIP (Dos etapas) Este método es también conocido como espumado de un metal reforzado por la liberación
de un gas precursor (10-12).
El proceso consiste en utilizar un metal fundido, al cual se le adiciona un material
espumable o precursor, comúnmente el Hidruro de Titanio. Este precursor, primero se
calienta para producir una capa de Óxido de Titanio en la superficie, que limita la
permeabilidad del H2 cuando se descompone. El Hidruro Oxidado es entonces, mezclado
en el Aluminio fundido (agregando las partículas de Carburo de Silicio para aumentar la
viscosidad); la capa de Óxido en las partículas del Hidruro actúa como una barrera para
retardar la descomposición del Hidruro de Titanio dentro del metal líquido durante un
tiempo suficiente para permitir la dispersión del mismo dentro de la fundición. Esto,
produce un precursor ligeramente poroso hecho de metal, agente espumante, y Carburo
de Silicio que puede ser cortado y almacenado. En un segundo paso, el precursor se
coloca en un molde (de cualquier forma) y se calienta a una temperatura ligeramente
superior a la temperatura de fusión de la aleación de Aluminio, típicamente, a 680°C. El
Hidruro de Titanio se descompone, emite Hidrógeno y forma una espuma que expande
el precursor hasta llenar el molde. La Fig. 11 muestra el esquema del proceso.
Fig. 11 Proceso del método FORMGRIP
TiH2 (TiO2) y mezcla de polvo de aleación Al-12%Si
Al-9Si/SiCp
Fusión
compuesta Fundición
Precursor
Compuesto Dispersión de
hidruro
Horneado
Expansión
para
llenado
Colada
Solidificación
Producto
Espuma 3-D
-
25
Las espumas obtenidas por este proceso presentan porosidades del 50 al 95% con un
tamaño promedio de poro de 1 a 10 mm. Las ventajas y desventajas de este proceso se
muestran en la Tabla 6.
Tabla 6.- Ventajas y desventajas del proceso FORMGRIP
Ventajas Desventajas
-Estructura homogénea y
controlada
-Fabricación de piezas con
geometría variada
-Restricciones en materiales usados
-Costo alto
-Produce espumas quebradizas debido a la presencia de
partículas de SiC en las paredes de los poros
2.2.2. Propiedades de las espumas de Aluminio Las propiedades de las espumas de Aluminio están directamente ligadas a la
composición química, proporción y morfología entre las zonas sólidas y gaseosas que
componen su estructura. La principal ventaja de la utilización de las espumas de Aluminio
es el disponer de propiedades diferentes frente a las aleaciones metálicas originales que
las hacen atractivas para la fabricación de nuevos productos y el desarrollo de nuevas
aplicaciones. La mejora continua de las espumas de Aluminio para satisfacer nuevos
requerimientos y aplicaciones está basada en la obtención de propiedades cada vez más
específicas (11).
2.2.2.1. Densidad La densidad de las espumas de Aluminio se encuentra en el rango de 0.05 -1.2 g/cm3, es
decir, los poros ocupan del 50% al 97% del volumen total. La densidad se determina por
métodos volumétricos (peso y geometría) o mediante análisis de imagen de la estructura
del poro interno; en este caso los poros en la superficie mecanizada se llenan con resina
negra para establecer el contraste entre los poros y las paredes del poro. Los resultados
obtenidos por este medio son bastante cercanos a la densidad obtenida por el método
volumétrico. Adicionalmente, el análisis de imagen también da información sobre la
distribución de densidades en la muestra. En la Fig. 12 se muestra la distribución de la
densidad de la espuma a lo largo del eje “x” e “y” respecto a las paredes del molde (11).
-
26
Fig. 12 Distribución de la densidad
2.2.2.2. Tamaño de poro Los poros en las espumas metálicas son esencialmente esféricos y parcialmente
cerrados. Estos poros no tienen un diámetro fijo, sin embargo, las muestras pueden ser
preparadas con varios valores medios de diámetro, entre 0.5 y 8mm dependiendo de la
composición de la matriz y los parámetros espumantes: temperatura y tiempo, tal y como
se observa en la Fig. 13 (13).
Fig. 13 Diferentes estructuras porosas medidas a diferentes parámetros espumantes
(temperatura y tiempo)
Densidad (g.cm-3)
X (mm)
Y
(m
m)
-
27
2.2.2.3. Propiedades elásticas Los módulos de Young y de cizallamiento se calculan como la relación de las tensiones
frente a las deformaciones resultantes. La importancia de la técnica es que los módulos
de Young y de cizallamiento sean grandes, con relación a la densidad, dando lugar al
desarrollo de distintas técnicas para incrementar el valor de estas propiedades. Un
módulo de elasticidad relativamente alto con densidad baja, permite obtener una rigidez
específica muy alta lo que permite minimizar el peso de una estructura (11).
2.2.2.4. Módulo de Young El módulo de elasticidad en las espumas de Aluminio depende de la densidad; a bajas
densidades el módulo de elasticidad es muy alto y esto provoca una rigidez específica en
las espumas. La dependencia obedece a una función exponencial con un exponente de
valor n = 1.6, aproximadamente. La función exponencial es dependiente del tamaño y
distribución de los poros, así como la presencia de aditivos en la aleación de Aluminio y,
por tanto, de la tecnología utilizada para la fabricación del material.
La Tabla 7 muestra una comparación de la relación del módulo elástico con la densidad
(E/ ρ2) de las espumas de Aluminio con respecto a otros materiales (13).
Tabla 7.- Relación E/ρ2 para diferentes estructuras de materiales en comparación con la
espuma de Aluminio.
Material
Densidad ρ (g.cm-3)
Modulo E (GPa)
E/ ρ2 (10-5 GPa.kg2.m6)
Espuma-Al 0.5 5 2.00
Epoxy 1.3 5 0.30
Acero 7.8 210 0.35
Aluminio 2.7 69 0.95
Vidrio 2.5 70 1.12
Concreto 2.5 50 0.80
-
28
2.2.2.5. Conductividad térmica y eléctrica Experimentalmente se ha comprobado que las espumas de Aluminio siguen la ley de
Wieder-Franz. El comportamiento de las propiedades de transporte depende de modo
significativo de la densidad, esto está de acuerdo con la dependencia obtenida para el
módulo de elasticidad como la conductividad eléctrica y térmica pertenecen a la misma
clase, siguiendo este último una ley exponencial con exponente comprendido entre 1.48
y 1.60. En la Fig. 14 se observa una comparación de propiedades físicas de las espumas
de Aluminio (13).
Fig. 14 Propiedades mecánicas de dos espumas de Aluminio con diferente densidad (a) Modulo de la elasticidad, (b) Conductividad térmica y (c) Conductividad eléctrica.
2.2.2.6. Amortiguación acústica Las espumas de Aluminio poseen la capacidad de absorber o rechazar parte de la
energía sonora que reciben, sobre todo, las espumas de poros interconectados son muy
eficaces en la absorción del sonido. El sonido entrante se refleja dentro de la espuma
entre los poros; la superficie del poro vibra convirtiendo el sonido en calor. Un nivel de
sonido muy reducido se refleja dentro del espacio encerrado. El coeficiente de absorción
es una función del espesor del material, la densidad y el tamaño del poro. La máxima
absorción de sonido para las frecuencias incidentes puede ajustarse por el tamaño del
poro de la espuma. La mayor absorción de energía sonora se produce para espumas con
-
29
densidades cercanas a 0.65 g/cm3. La Fig. 15 muestra una comparación de coeficientes
de absorción de sonido de espumas de Aluminio de poro abierto y diferente diámetro de
poro (a) con diferentes materiales (11).
Fig. 15 Coeficiente de absorción de sonido de diferentes espumas de Aluminio de densidad 0.5 g/cm3 con estructura de poro abierto con diferente diámetro de poro (a) en
mm, comparado con Aluminio sólido, espuma de PU y matriz de fibra de vidrio.
2.2.2.7. Propiedades químicas Las espumas de Aluminio se fabrican tanto de Aluminio puro como de sus aleaciones, lo
cual hace que se comporten de diferente forma frente a la corrosión, por ejemplo, al alear
el Aluminio con cobre se producen precipitaciones de fase cerca del límite de grano,
produciendo una capa empobrecida en cobre respecto al resto del material, sin embargo,
en los procesos de fabricación de espumas se adiciona Sílice que no solo ayuda a
aumentar la viscosidad, sino también su resistencia a la corrosión. (11)
2.2.2.8. Comportamiento bajo esfuerzo La curva de esfuerzo-deformación de las espumas de Aluminio se clasifica en tres
regiones distintas como se muestra en la Fig. 16. Primeramente, para bajas
deformaciones, el material se deforma casi elásticamente (las paredes de las celdas se
doblan), posteriormente, y para una compresión constante, existe un aumento progresivo
-
30
de la deformación en la que las paredes de las celdas se curvan (ceden o se rompen). A
continuación, existe una zona en la que el esfuerzo aumenta rápidamente tras producirse
el colapso de las celdas.
Fig. 16 Curva de esfuerzo-deformación
Cuando la deformación plástica comienza, la carga a la que se produce dicha
deformación, puede ser definida como la carga de colapso plástico. Esta carga aumenta
al igual que la densificación del material. La forma en que colapsan las espumas
metálicas de Aluminio depende de la composición de la aleación y del tratamiento térmico
al que se vieron sometidas durante su fabricación, de manera que las espumas basadas
en aleaciones de Aluminio tienden a romper las paredes de sus celdas. El área por debajo
de la curva de esfuerzo-deformación presenta información sobre la energía que se
necesita para producir la deformación plástica. La energía empleada en la deformación
plástica hasta o durante la aplicación de un esfuerzo, es un parámetro importante si nos
interesa conocer la energía de absorción de impacto del material. También esta energía
depende fuertemente de la densidad, ya que para poder absorber las energías de impacto
se requieren densidades intermedias (13).
densidad
0.81 g/cm3
densidad
0.57 g/cm3
W1
densidad
0.44 g/cm3
Carg
a (
kN
)
Fmax
W2
W3
Deformación (mm)
masa Al
-
31
2.2.2.9. Escudo electromagnético La buena conductividad eléctrica de las espumas metálicas permite minimizar la
penetración de las ondas electromagnéticas, actuando como un mecanismo de
protección ante campos electromagnéticos presentes. Además, la baja permeabilidad
magnética hace que convierta la energía electromagnética en calor (13).
2.2.3. Aplicaciones de espumas de Aluminio Las principales aplicaciones de espumas de Aluminio están en la industria automotriz,
aeroespacial, naval, ferroviaria y de construcción. Su estructura le confiere características
especiales: físicas, mecánicas, térmicas y eléctricas; especialmente sus propiedades de
aislamiento térmico y acústico, su bajo peso y su capacidad para absorber energía de
impacto. Esto hace posible la utilización de estos materiales en un sinfín de diferentes
aplicaciones con formas geométricas complejas. Sin embargo, todavía falta más
investigación para optimizar nuevos productos (11).
2.2.3.1. Puntos clave para el diseño de espumas de Aluminio Actualmente la elaboración y utilización de metales porosos ha cobrado auge dentro de
la industria y ha adquirido un gran número de aplicaciones y aunque este tipo de material
muchas veces se considera como alternativa a un problema de diseño, se deben de tomar
en cuenta estos puntos clave:
Morfología: Se debe determinar el tipo de porosidad requerida para la aplicación. Esto
es, elegir una red cerrada o abierta y tomar en cuenta el tamaño de los poros.
Metalurgia: Se debe elegir el tipo de metal para la aplicación y en base a ello se debe
determinar si es posible o viable la realización de la espuma de ese material.
Procesado: Se debe tener en cuenta la posibilidad de poder moldear el metal poroso para
las necesidades a cubrir, y si este moldeo no afecta las propiedades del material de
manera sustancial.
Economía: Analizar los costos que requiere la elaboración del material y compararlos con
otras alternativas como metales normales (14).
-
32
2.2.3.2. Estructuras tipo Sándwich Las estructuras sándwich son construcciones laminares constituidas por dos
revestimientos unidos a un cuerpo central (núcleo) relativamente ligero, dando como
resultando un panel de elevada rigidez y poco peso. La principal función de los
revestimientos es la de soportar y transmitir, uniformemente, las cargas superficiales
recibidas. Estos revestimientos pueden estar formados por láminas de materiales
metálicos como el Aluminio y sus aleaciones, materiales compuestos, madera, etc. En
aplicaciones de carácter estructural el propósito del núcleo es resistir la transmisión de
esfuerzos de corte de una tapa a otra, así como, resistir la compresión.
La estructura tipo sándwich con núcleo de espuma de Aluminio puede obtenerse a partir
de bloques, planchas, hojas, etc.; mediante operaciones de mecanizado, hasta llegar a
la forma deseada; o, fabricándola “in situ”, obteniendo mediante colada (por presión
diferencial o gravedad) la pieza o conjunto.
Adicionalmente a las construcciones de elevada rigidez, las estructuras sándwich tienen
importante aplicación en estructuras resistentes al impacto, utilizadas en vehículos para
mejorar la seguridad pasiva, así como en estructuras ultraligeras, atenuación de ruidos
en carreteras, puentes, edificios y máquinas, sistemas de protección contra incendios,
etc. (11).
2.2.3.3. Industria automotriz Las necesidades dentro de la industria automotriz consideran cuestiones de seguridad,
reducción del consumo de combustible, elementos absorbedores de impactos, reducción
de emisiones acústicas y componentes de alta emisión del calor. Estas necesidades han
propiciado que las empresas se vean en la necesidad de desarrollar nuevas técnicas y
materiales para mejorar la calidad de los automóviles. Es por ello que, se han efectuado
investigaciones acerca de partes automotrices. Se ha notado que las espumas de
Aluminio son un material idóneo para muchas aplicaciones. El uso de estas espumas de
en la estructura de los automóviles (Fig. 17) es un fenómeno bastante reciente.
Las espumas de Aluminio presentan buenas propiedades frente a un amplio intervalo de
esfuerzos, se deforman proporcionalmente a la carga aplicada y la absorción de energía
es prácticamente isotrópica.
-
33
Frente a los impactos las espumas de Aluminio tienen un mejor comportamiento que las
espumas poliméricas, debido a su mayor deformabilidad, presentando un bajo índice de
rebote en situaciones de choque dinámico, evaluado en menos de un 3%, frente al 15 %
de las espumas de poliuretano.
Al sustituir componentes fabricados tradicionalmente en Acero por espumas de Aluminio
no solo se reduce el peso en un 25%, sino que, además, se aumenta la rigidez en un
700%. Debido a ello, puede reducirse significativamente el número de componentes
necesarios en el vehículo, disminuyendo los costos de fabricación.
Fig. 17 Chasis de espuma metálica
La mejora del confort por la reducción del ruido en el interior del automóvil, es otro campo
donde las espumas de Aluminio pueden actuar tanto como barreras acústicas como
reduciendo el nivel de ruido transmitido al exterior del vehículo. El problema de las
vibraciones de resonancia indeseables de un motor, vehículo, etc., que son causa de
averías y la emisión de ruidos, puede reducirse. Al ser el módulo de Young de la espuma
menor que el correspondiente al metal sin espumar, la resonancia de una espuma se
desplazará, generalmente, a menores frecuencias (11, 14).
-
34
2.2.3.4. Industria aeroespacial En aplicaciones aeroespaciales, la sustitución de las costosas estructuras de alma
alveolar por sándwiches de espuma de aluminio puede llevar a un mejor rendimiento con
un menor costo. Por un lado, se busca aumentar la resistencia al alabeo y al pandeo y
por otro aprovechar las importantes ventajas que suponen la isotropía de las propiedades
mecánicas de las espumas y la posibilidad de fabricar estructuras compuestas sin
necesidad de pegado por adhesivos. Esto último hace que mejore el comportamiento en
caso de incendios, donde es necesario que la estructura mantenga su integridad tanto
tiempo como sea posible.
Una ventaja importante de estos materiales es que permiten fabricar piezas
tridimensionales y con curvatura, en contraste con las estructuras planas de alma
alveolar. Otras aplicaciones incluyen piezas estructurales en turbinas, donde tanto la
rigidez como un correcto amortiguamiento son muy importantes. Los cierres entre las
distintas partes del motor también se han diseñado de espuma de Aluminio.
En tecnología espacial se ha desarrollado el uso de espumas de Aluminio como
absorbedores de impactos para los elementos de aterrizaje de los vehículos espaciales
y como refuerzo para las estructuras de carga en satélites, sustituyendo materiales que
presentaban problemas en ambientes adversos (cambios de temperatura, vacío, etc.).
La Fig. 18 muestra la estructura tipo sándwich de un cono espacial y las direcciones de
carga ensayadas (11).
Fig. 18 Cono espacial
-
35
2.2.3.5. Industria ferroviaria La aplicación de las espumas de Aluminio en los equipos ferroviarios sigue las mismas
normas que en la industria automotriz en lo que se refiere a los tres campos de aplicación
principales: rigidez específica, absorción de energía frente a impactos y amortiguación
de sonido. La absorción de energía es un tema muy importante en los ferrocarriles que
transitan por áreas urbanas, en las que pueden producirse colisiones (11).
2.2.3.6. Industria naval La construcción con materiales ligeros ha ganado importancia en la industria naval. Los
modernos barcos de pasajeros pueden ser construidos completamente con Aluminio
extruido, hojas de Aluminio y estructuras de Aluminio de alma alveolar. Los sándwiches
de espuma de Aluminio obtenidos por pegado con adhesivos de poliuretano son
estructuras ligeras y rígidas con un excelente amortiguamiento, incluso en el caso de
bajas frecuencias típicas de los barcos (11).
2.2.3.7. Industria de la construcción Existe un amplio abanico de aplicaciones en la construcción. Los modernos edificios de
oficinas comienzan a decorar sus fachadas con paneles ligeros, rígidos y resistentes al
fuego, sujetos a las paredes del edificio mediante soportes de espuma de Aluminio.
La Fig. 19 muestra un ejemplo de la utilización de espumas metálicas para formar
estructuras de edificios que soporten los mismos esfuerzos que los metales normales,
pero con las ventajas ya mencionadas y otras adicionales de ser posible. De igual forma
las barandillas de los balcones que suelen ser de materiales demasiado pesados y
problemáticos en caso de incendio comienzan a sustituirse por espumas de Aluminio. Las
puertas y salidas de incendios están hechas de espumas de Aluminio de baja densidad,
por tener reducida conductividad térmica y buena resistencia al fuego.
Aunque el punto de fusión del Aluminio es bastante bajo, las espumas de Aluminio
permanecen estables al exponerse a la llama, debido a la estabilidad de la alúmina
-
36
formada superficialmente, en estas condiciones. Además, una falla en la estructura sería
menos dañina ya que, de alguna forma, la estructura del material anticiparía cuando
alguna parte esté por fallar y no fallaría en su totalidad. (11, 14).
Fig. 19 Paneles de construcción de espumas de Aluminio
2.2.3.8. Maquinaria Las piezas de maquinaria fabricadas de espuma o rellenas de espuma hacen que
disminuya la inercia y aumente el amortiguamiento. Estos nuevos componentes pueden
utilizarse en taladradoras, fresadoras, etc.
Las espumas de Aluminio pueden usarse en beneficio de los aparatos eléctricos, ya que
añaden la ventaja de la protección electromagnética (11).
2.2.3.9. Equipo deportivo Equipamiento deportivo es un campo remunerador en cuanto a la aplicación de nuevos
materiales se refiere, debido a los precios altos que son aceptados en este sector. Sin
embargo, no hay muchas ideas de aplicación para los metales celulares en este campo.
Un ejemplo de aplicación son espinilleras para jugadores de futbol soccer, donde la
capacidad de absorción de energía de las espumas de aluminio puede ser explotada.
Otras aplicaciones potenciales para utilizar como relleno en equipo deportivo son:
raquetas de tenis, bates de béisbol, cuadros de bicicletas, etcétera (3, 10).
INSTALANDO
ESPUMA
ALUMINIO
RESISTENTE
-
37
2.2.3.10. Aplicaciones funcionales (9, 11) Filtración y separación.
Intercambiadores de calor y máquinas de frío.
Catalizadores.
Almacenamiento temporal de líquidos.
Control de flujo.
Absorbedores del sonido.
Absorbedores de la energía de impacto.
Arte y decoración.
Paneles.
Flotadores o boyas.
Insertos Biocompatibles
Aplicaciones electroquímicas
2.3. Estado del arte M. González y colaboradores (5) fabricaron espumas de aleación de Aluminio de celda
cerrada A-356 utilizando 0.8, 1.0 y 1.2% en peso de Barita y Wollastonita obtenidas a
partir del procesamiento de minerales primarios como agentes espesantes y carbonato
de Calcio como agente espumante. Analizaron las propiedades mecánicas de las
espumas y compararon con espumas producidas con 0.8, 1.0 y 1.2% en peso de alúmina
y carbonato de Calcio como agente espesante y espumante, respectivamente.
Las espumas producidas con adiciones de Wollastonita mostraron los valores
porcentuales de porosidad más alta (86.9%) y tamaños de celda (0.438 mm), pero la
menor capacidad de absorción de energía de (1.58 MJm-3). Por otra parte, las espumas
producidas con adiciones de Barita presentaron una buena combinación de estructura y
propiedades mecánicas tales como tamaño de celda de (0.312 mm), porcentaje de
porosidad (85%) y capacidad de absorción de energía (3.81 MJm-3).
-
38
Las espumas obtenidas con adiciones de Alúmina mostraron valores intermedios de
porosidades y tamaños de celdas entre las espumas obtenidas con Barita y Wollastonita
y la presencia de oscilaciones en la región de la meseta. La espuma obtenida con 1% en
peso de Barita mostró la más alta eficiencia de absorción de energía ideal y la etapa más
larga sostenida con la menor fluctuación de la eficiencia.
La eficiencia de absorción de energía de las espumas producidas disminuyó cuando la
porosidad y el tamaño de la celda aumentaron. Concluyeron que la espuma producida
con adición de Barita muestra el mejor comportamiento de la eficiencia de absorción de
energía.
V. Kevorkijan (4) estudió la viabilidad al utilizar un polvo de CaCO3 como agente
espumante, como una alternativa rentable al TiH2 utilizado comercialmente. Se fabricaron
muestras de espuma de Aluminio de celda cerrada a partir de precursores sólidos
espumables sintetizados por metalurgia de polvos y por fusión. Los precursores
obtenidos por la vía de fusión se mecanizaron y adicionalmente se hizo un prensado
isostático en frío para mejorar su densidad.
En todos los casos se determinó que el resultado de los precursores consistía en una
matriz de Aluminio que contenía varias fracciones (3, 5, 7 y 12%) de polvos de CaCO3
uniformemente dispersos con diversos tamaños de partícula (d50= 38, 72 y 120 ɥm). Los
precursores se espumaron insertándolos en un molde cilíndrico inoxidable. Se colocaron
en un horno precalentado a 750° C durante 10 min.
La calidad de los precursores espumables se evaluó determinando su valor inicial,
densidad y el rendimiento de espumación (la densidad relativa de la espuma obtenida,
(ρ), fue calculada dividiendo la densidad aparente de la espuma, (ρF), por la densidad de
Aluminio, (ρAl). Además, la calidad de las espumas obtenidas se caracterizó por su
densidad, microestructura (el tamaño promedio de poro) y propiedades mecánicas (curva
de esfuerzo-deformación a la temperatura ambiente, resistencia a la compresión y
energía absorbida).
Los hallazgos experimentales confirmaron que las espumas de Aluminio sintetizadas con
el polvo de CaCO3 como agente espumante pueden prepararse tanto por metalurgia de
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polvos como por fundición. Las espumas fabricadas mostraron que la densidad, la
microestructura, la resistencia a la compresión y la capacidad de absorción de energía
son bastante comparables con las contrapartes espumadas por TiH2.
M. Haesche y asociados (15) estudiaron la sustitución de TiH2 como agente espumante
por CaCO3 (calcita) y CaMg(CO3)2 (dolomita) en espumas de AlMg4.5 y AlSi9Cu3 su
estudio fue tomando en cuenta sobre la capacidad de formación de espuma y la
estructura celular. Produjeron los materiales precursores a partir de virutas de aleación y
mezclas de polvo mediante el procedimiento de thixocasting. Encontraron variaciones en
la expansión de la aleación AlSi9Cu3 cuando se utilizó CaCO3 y CaMg(CO3)2 como agente
espumante donde fue comparado basándose en el curso de su descomposición.
Concluyeron que el rendimiento mejorado de las espumas basadas en dolomita se basa
en la formación de fases estabilizantes de MgO, que no se desarrollan durante la
descomposición de CaCO3 en aleaciones de Al-Si-Cu.
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3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
En base a la literatura consultada se sabe que existen diversos procesos para la
fabricación de espumas de Aluminio, no obstante, aunque la mayoría de esos procesos
permiten obtener espumas de Aluminio con propiedades óptimas, resulta compleja la
fabricación por las etapas requeridas, el control de los parámetros y además del costo
elevado de los procesos y materias primas utilizadas; por lo que, el objetivo de este
trabajo es el de fabricar espumas de Aluminio con propiedades microestructurales
similares a las obtenidas en otros procesos pero utilizando materiales alternativos de bajo
costo a los utilizados industrialmente.
Se utilizó el proceso ALPORAS para la fabricación de espumas metálicas de la aleación
A-356, en donde se adiciono Carbonato de Calcio (CaCO3) como agente espumante, el
cual se disocia a la temperatura de espumación (700 °C) liberando gas (CO2), el cual
queda atrapado en la masa metálica formando una estructura porosa conocida como
espuma. Previamente el metal se acondiciona utilizando dos agentes espesantes (Barita
y Wollastonita) alternativos a los usados actualmente (Al2O3, MgO, Ca), para que la
viscosidad en la superficie del metal se incremente y el gas (CO2) quede atrapado en la
masa metálica, obteniendo poros de celda cerrada y uniforme. Dichos agentes
propuestos se adicionaron en tres porcentajes distintos (0.5, 1 y 1.5%) con la finalidad de
observar el efecto producido en las propiedades estructurales (tamaño de poro, densidad,
densidad relativa y % de porosidad) en las espumas fabricadas.
3.1. Materiales y Equipo
3.1.1. Materiales Metal base: Se fabricó la aleación de Aluminio A-356 utilizando Aluminio, Silicio,
Magnesio y Cobre.
Agente espesante: Para aumentar la viscosidad del metal se utilizó un agente espesante.
En el primer caso Barita (BaSO4), con un punto de fusión de 1580° C y una densidad de
4.47 g/cm3. La barita es químicamente inerte, de fácil dispersión, baja abrasión, excelente
resistencia al calor y a la corrosión, además de una baja absorción en aceite. En el
segundo caso se utilizó Wollastonita (CaSiO3), con un punto de fusión de 1540° C y una
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densidad de 2.8 g/cm3. La Wollastonita es principalmente usada en la fabricación de
productos cerámicos, plásticos, pinturas y en la industria metalúrgica se utiliza en mezclas
de fundentes, con el objetivo de prevenir la oxidación en la superficie del Acero, lubricar
las paredes del molde y absorber inclusiones dañinas. En la Fig. 20 se observa ambos
espesantes.
Fig. 20 Agentes espesantes: a) Barita, b) Wollastonita
Agente espumante: Como agente espumante se utilizó el CaCO3 que se muestra en la
Fig. 21, con un punto de fusión de 899° C y una densidad de 2.711 g/cm3.
Fig. 21 Carbonato de Calcio CaCO3
b) a)
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Pasta de grafito: Se utilizó pasta de grafito en la parte interna y externa de un molde
bipartido de acero inoxidable para facilitar la extracción de la espuma del molde y para
evitar fugas de metal en las zonas de unión. También se utilizó en los tornillos que cierran
el molde para evitar que se suelden debido a la alta temperatura. En la Fig. 22 se observa
la aplicación de la pasta de grafito sobre el molde bipartido.
Fig. 22 Pasta de grafito aplicada al molde bipartido
3.1.2. Equipo Horno de gas: Se utilizó para fabricar la aleación de Aluminio A-356, que posteriormente
se lingoteó, para obtener pequeños lingotes de aproximadamente 350 g cada uno.
Hornos de resistencia: Se utilizaron 2 hornos eléctricos de resistencia con capacidades
para crisoles de hasta 2 L de Aluminio líquido, los cuales se muestran en la Fig. 23. Estos
hornos alcanzan 1100 y 1300° C. El primer horno (Fig. 23a) se utilizó para fundir los
lingotes de la aleación fabricada y posteriormente vaciarla en el molde bipartido que es
colocado en el segundo horno (Fig. 23b) donde se fabricaron las espumas.
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Fig. 23 Hornos de resistencias; a) Horno usado para fundir los lingotes de la aleación A-356, b) Horno usado para la espumación.
Agitador: El agitador “BOECO GERMANY” modelo OSD-20, fue utilizado durante las
etapas de agitación de los agentes espesante y espumante. Cuenta con un rango de
velocidad de 60 a 2000 rpm. Este agitador se muestra en la Fig. 24.
Fig. 24 Equipo de agitación.
a
)
b
)
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Termómetro: Para medir la temperatura se utilizó un termómetro de entrada doble tipo K
básico, marca “EXTECH” modelo EA10 mostrado en la Fig. 25, el cual ofrece un rango
de temperatura desde -200 a 1360 °C.
Fig. 25 Termómetro EXTECH
Molde bipartido: Debido al proceso que conlleva la fabricación de una espuma se utiliza
un molde bipartido de acero inoxidable que facilita la extracción de la misma, ya que
puede abrirse por la mitad y cerrarse nuevamente, también cuenta con una tapa que se
coloca en la base del molde y todo se une por sujeción mecánica. Este molde posee siete
tornillos de los cuales cuatro se colocan en los bordes inferior y superior de la parte
externa del molde, los tonillos restantes se utilizan para unir la tapa al molde. La Fig. 26
muestra el molde bipartido con su tapa y los tornillos.
Fig. 26 Molde bipartido
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Microscopio óptico: Para la caracterización de las espumas se realizaron mediciones de
poros de cada una. Se utilizó el microscopio óptico invertido para análisis OLYMPUS
modelo GX51 mostrado en la Fig. 27, que cuenta con cámara digital, polarizador de
campo oscuro y campo claro y resolución espacial de 0.1 mm.
Fig. 27 Microscopio óptico
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3.2. Proceso En la Fig. 28 se muestra el diagrama de flujo para el proceso de fabricación de espumas
de Aluminio de la aleación A-356.
Fig. 28 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de espumas de la aleación A-356 utilizando agente espesante y espumante.
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3.2.1. Aleación base La aleación A-356 se utilizó como materia prima. Para fabricarla se utilizaron metales
puros Al, Cu, Mg y Si, los cuales se cargaron en un crisol de Carburo de Silicio y se fundió
en el horno de gas obteniendo lingotes.
Para la aleación A-356 los intervalos de la composición química establecidos se muestran
en la Tabla 8.
Tabla 8.- Composición química de la Aleación A-356
Elementos %Si %Mg %Cu %Al
Composición química 6.5-7.5 0.2-0.45 0.1-0.25 Balance
3.2.2. Espumación Se utilizaron 500 g de aleación A-356 por cada carga; que se fundieron en el Horno de
Resistencias 1, lo cual lleva 15 minutos aproximadamente con intervalo de temperatura
de 700±10° C.
Los parámetros establecidos para la realización de las espumas de la aleación A-356 se
muestran en la Tabla 9.
Tabla 9.- Parámetros de realización de espumas de la aleación A-356
Parámetros
Constantes Variables
Masa del metal 500 g Agente espesante
(BaSO4)
0.5, 1 y 1.5%
Temperatura de
espumación
700° C Agente espesante
(CaSiO3)
0.5, 1 y 1.5%
Agitación 1600 ± 5 rpm
Tiempo 10-13 minutos
Agente espumante
(CaCO3)
1%
El molde bipartido es el dispositivo en el cual se llevó a cabo el proceso de espumado
debido a que al desatornillarse se abre por la mitad facilitando la extracción de la espuma.
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Antes de la espumación, al molde bipartido se le proporciona una capa de pasta de grafito
para evitar fugas de metal. El molde es precalentado en el Horno de Resistencias 2 (Fig.
23b) en un tiempo de entre 15 a 20 minutos aproximadamente, para que alcance una
temperatura cerca de 600° C.
La aleación se funde en el Horno de Resistencias 1 (Fig. 23a) alcanzado una temperatura
de 680±10° C. Al alcanzar estas temperaturas, se procede al vaciado de la aleación en
el molde bipartido e inmediatamente se ingresa el molde bipartido al Horno de
Resistencias 2 para mantener la temperatura como se observa en la Fig. 29.
Fig. 29 Vaciado de metal fundido a molde bipartido
Se realizó una serie de espumas con el agente espesante Wollastonita y otra con Barita
en distintos porcentajes, mientras que el agente espumante (CaCO3) se mantuvo
constante.
Una vez que se alcanza un intervalo de temperatura de 700±10° C, se procede a
adicionar el porcentaje de agente espesante y enseguida comienza la agitación con una
propela de acero inoxidable a 1600 rpm durante 2 minutos como se muestra en la Fig.
30.
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Fig. 30 Agitación del metal Una vez terminada la agitación se retira la propela y se da 1 minuto de reposo para que
se estabilice la reacción. Este espesante incrementa la viscosidad del metal haciendo
difícil el escape de los gases en su interior; posteriormente se adiciona el porcentaje de
agente espumante y comienza la agitación con la propela a 1600 rpm durante 1 minuto
30 segundos como se observa en la Fig. 30. Para finalizar la reacción se da un tiempo
de 2 minutos aproximadamente, hasta que la espuma alcanza su altura máxima como se
observa en la Fig. 31, durante este tiempo se termina de descomponer el agente
espumante, los gases quedan atrapados formando burbujas de CO2 que gracias a la
viscosidad se mantienen estables y no se liberan en la superficie, esto genera la
formación de los poros en el metal.
Fig. 31 Reposo de espumación
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Al terminar la espumación se extrae cuidadosamente el molde del horno, el cual se enfría
inmediatamente, utilizando agua a presión durante 3 ó 4 minutos aplicándola de manera
homogénea como se muestra en la Fig. 32. Una vez terminado el enfriamiento se procede
a la extracción de la espuma del molde.
Fig. 32 Enfriamiento con agua a presión
La Fig. 33 muestra un esquema que resume el desarrollo experimental seguido en la
fabricación de las espumas de Aluminio, en donde básicamente se llevan a cabo las
siguientes operaciones: a) Fusión y vaciado a molde bipartido de la Aleación A-356, b)
Adición de agente espesante para incremento de viscosidad, c) Adición de agente
espumante, iniciando el proceso de espumado y d) Enfriamiento con agua a presión
posterior al tiempo de reposo de espumado
Fig. 33 Representación del proceso para la realización de una espuma empleando un agente espumante
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3.2.3. Caracterización de espumas Una vez fabricadas las espumas de aleación de Aluminio se cortaron de forma
transversal, a continuación, se maquino una de las partes obteniendo así 4 probetas por
cada espuma de acuerdo con la norma DIN 50134 que especifica medidas de 19 mm de
diámetro y 38 mm de altura lo cual proporciona una relación de 0.5 entre ambas medidas.
Posteriormente se determinaron los valores de densidades (𝜌𝑒𝑠𝑝𝑢𝑚𝑎 y 𝜌𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎) con ayuda
de la ecuación (1) y (2) respectivamente:
𝜌𝑒𝑠𝑝𝑢𝑚𝑎 =𝑚
𝑉………….(1)
donde:
m=masa de la probeta (g)
V=volumen de la probeta (𝑐𝑚3)
𝜌𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =𝜌𝑒𝑠𝑝𝑢𝑚𝑎
𝜌𝐴𝑙𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐴−356…………(2)
Donde:
𝜌𝐴𝑙𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐴−356=2.56 𝑔/𝑐𝑚3
El porcentaje de porosidad (Pr (%)) se determina con la ecuación (3)
Pr(%) = (1 − (𝜌𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎))𝑥100…………(3)
Finalmente, el tamaño de poro fue obtenido mediante fotomicrografías realizadas a las
probetas en un microscopio óptico (MO) Fig.27; estas fotomicrografías se manejaron con
una relación micrométrica de 750 ɥm para las espumas de Barita y 600 ɥm para las
espumas de Wollastonita.
Se tomaron de 10 a 12 fotomicrografías por cada espuma y mediante estas imágenes se
realizaron mediciones a los poros con diámetros más regulares; para la obtención del
diámetro de poro se tomaron medidas verticales, horizontales y diagonales, estas
medidas se promediaron obteniendo así el tamaño de poro en micrómetros por cada
espuma.
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3.2.4. Caracterización de los agentes espesantes y agente espumante
Para conocer los componentes principales de los minerales de Barita y Wollastonita, se
analizaron en un equipo de difracción de rayos X Focus D8 con radiación monocromática
Cu Kα, trabajando en configuración θ/2θ. Los datos obtenidos se encontraron en un
intervalo angular de 20 a 70º con un tamaño de paso de 0.02º y un tiempo de conteo de
2º min-1.
El tamaño, la morfología y el análisis químico cualitativo de la Barita y Wollastonita se
determinaron en un Microscopio Electrónico de Barrido Jeol 6300 y con análisis EDS.
Una película Au-Pd fue depositada sobre la superficie de los polvos para hacerlos
conductivos. Las imágenes se obtuvieron a 20 y 500 X con electrones retrodispersados
con 15 kV y 10 A.
Para determinar la temperatura de disociación del Carbonato de Calcio utilizado como
agente espumante, se estudió su comportamiento térmico mediante una prueba de
calorimetría en un calorímetro Mettler Toledo TGA/DSC1. Con un intervalo de
calentamiento de 10º C min-1 en una atmósfera de argón, con una velocidad de flujo de
50 ml min-1 en crisoles de Alúmina. Los datos se obtuvieron en un intervalo de
temperatura de 150 a 1600º C.
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4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. Resultados de la composición química de la aleación A-356
Para confirmar que la composición química de la aleación fabricada se encuentra dentro
de las especificaciones de la aleación A-356 se hizo un análisis mediante un
espectrómetro de Emisión Atómica (Chispa) Modelo Foundry Master. La composición
química obtenida se encuentra en la Tabla 10.
Tabla 10.- Composición química de la Aleación A-356 fabricada.
Elementos %Si %Mg %Cu %Al
Composición química 7.12 0.38 0.2 Balance
Estos valores se encuentran dentro de los intervalos de la aleación A-356 reportados en
la Tabla 8.
4.2. Resultados de la caracterización de los agentes espesantes y agente espumante propuestos
En este trabajo se evaluaron dos agentes espesantes alternativos a los utilizados
comercialmente. Estos agentes se obtuvieron a partir de minerales de Barita y
Wollastonita ya procesados.
Los minerales Barita y Wollastonita se caracterizaron por DRX y los resultados se
observan en la Fig. 34. El análisis muestra que el principal componente de la Barita
(BaSO4) es el componente Celestine-Barian (JCPD file 00-039-1464), el cual es un
mineral que pertenece al grupo de la Barita. En este caso la Barita (BaSO4) y la Celestina
(SrSO4) forman una solución solida con la siguiente composición Ba0.25Sr0.75SO4,
adicionalmente se observa la presencia minoritaria de Calcita (Fig. 34a).
El difractograma de la Fig. 34b muestra que la muestra de Wollastonita (CaSiO3) contiene
principalmente el componente CaSiO3 (JCPD file 00-043-1460), y pequeñas cantidades
de compuestos como Al2O3, MgO y K2O.
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Fig. 34 Patrones DRX de los agentes espesantes usados, a) Barita y b) Wollastonita
La morfología y el mapeo elemental de los elementos presentes en la Barita y
Wollastonita se observan en las Figs. 35 y 36, respectivamente. La Barita muestra una
morfología subhedral y anhedral. El mapeo elemental muestra la presencia de partículas
constituidas por Ba, Sr y S y también partículas compuestas por Ca. De acuerdo con los
resultados DRX estas partículas pueden corresponder a compuestos como Celestine
(Ba,Sr)SO4 y Calcita (CaCO3).
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Fig. 35 Imagen MEB de la morfología (a) de la Barita y micro
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