capÍtulo 3: procedimiento experimental [7]bibing.us.es/proyectos/abreproy/4016/fichero...5.1.2...

22

CAPÍTULO 3: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL [7]

1 Introducción

A continuación se describe todo el procedimiento realizado en el

laboratorio para la obtención de las probetas a las que realizar las micrografías

necesarias donde medir el recorrido eléctrico efectivo, asimismo el método

empleado para medir dicho recorrido, así como otras propiedades

representativas de los materiales estudiados.

2 Obtención de muestras representativas de todos los

polvos

La primera operación es la obtención de una muestra representativa de

cada uno de los polvos objeto de estudio.

CAPÍTULO 3: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

23

Figura 3.1: Balanza y vidrio reloj.

2.1 Extracción del polvo en estado de recepción

Para la obtención de la muestra representativa de los polvos se han

seguido dos procedimientos según el tipo de polvo.

2.1.1 Extracción por tubo de vidrio

Para el caso de polvos de aluminio, hierro y bronce la extracción del

polvo se realiza con un tubo de vidrio de 340 milímetros de largo por 12.5 de

diámetro exterior y 9.5 de diámetro interior. Se realiza de esta forma ya que el

transporte y la manipulación hace que los polvos de segreguen y las partículas

de menor tamaño ocupen preferentemente la parte inferior del recipiente con lo

que se extraería una muestra con un tamaño de partícula mayor del deseado.

Para ello se introduce tantas veces como sea necesario el tubo hasta el fondo

del contenedor, obteniéndose una muestra representativa de todo el polvo del

contenedor


24

2.1.2 Extracción por cucharilla

En el caso del níquel debido a su morfología no se produce la

segregación, y la extracción del polvo se puede realizar con cucharilla, más útil

dado que el polvo de níquel tiene tendencia a aglomerarse.

2.2 Muestreo

Para el muestreo se va depositando el polvo extraído en una tolva

(fluidímetro de Hall), para luego con la ayuda de una varilla, si el polvo no fluye,

depositarlo en un vidrio reloj describiendo círculos concéntricos.

De esta forma se obtiene una cantidad adecuada para luego ser

repartida en las muestras que posteriormente iremos pesando. Para ello con

ayuda de un pincel se irá depositando el polvo en un nuevo vidrio reloj situado

en la balanza. La extracción se realizará por sectores circulares para obtener

una distribución correcta.

3 Medida de la porosidad de golpeo

La porosidad de golpeo da una medida de la capacidad de densificación

de un polvo cuando se vibra; es decir, sin someter el polvo a presión de

compactación. Este ensayo se realiza aplicando la Norma ASTM1.

1 ASTM B527-93(2000)e l. Standard test method for determination of tap density of metallic powders and compounds.


25

Figura 3.2: Vibrador y probeta graduada.

3.1 Procedimiento

Para obtener la densidad de golpeo de un polvo se colocan 5 g en el

interior de una probeta seca y graduada de 10 cm3, con una graduación de

0.1 cm3 (Figura 3.1). La probeta se somete a vibración durante un minuto,

transcurrido el cual se calcula la porosidad considerando el volumen alcanzado

por la columna de polvos.

La porosidad de golpeo viene dada por la expresión siguiente:

VM

oM ⋅

−=Θγ

1

Donde:

M: Masa de polvo

oγ : Densidad absoluta del polvo.

V: Volumen medido.


26

4 Caracterización de los polvos

4.1 Análisis granulométrico (Mastersizer)

Muchas propiedades de los materiales en forma de polvo, están

afectadas por el tamaño de sus partículas.

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

del tamaño de partícula mediante difracción láser (low angle laser ligth

scattering). Se basa en el hecho de que las partículas dispersan la luz en todas

direcciones con un patrón de intensidad dependiente de su tamaño.

Concretamente, el ángulo de dispersión es inversamente proporcional al

tamaño de la partícula.

Este ha sido el método utilizado para la obtención de la granulometría de

los polvos a estudio. Se ha utilizado un analizador láser Mastersizer 2000 de

MALVERN (Figura 4.3). Este equipo dispone de un láser de He-Ne para

medida de tamaños de partícula grandes, mientras que una fuente de luz azul

de 466 nm de longitud de onda proporciona un incremento de la resolución en

la región submicrométrica. Esto permite medir con precisión partículas con

tamaños entre 0.2 y 2000 µm.


27

Figura 3.3: Mastersizer 2000.

4.2 Análisis morfológico (SEM)

Una parte fundamental en esta investigación es conocer la geometría de

los polvos a estudio, ya que es uno de los parámetros de los que va ha

depender el recorrido eléctrico efectivo, a través de su relación con la

porosidad de golpeo.

Debido al tamaño de los polvos utilizados, es necesario utilizar

microscopía electrónica de barrido (SEM) para la caracterización morfología.

Este tipo de microscopía resulta fundamental para el estudio superficial de

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

profundidad de campo que permiten alcanzar. Las imágenes de microscopía

óptica son representaciones bidimensionales, mientras que la profundidad de

campo alcanzada por la microscopía electrónica de barrido permite obtener

representaciones con apariencia tridimensional. De este modo, trabajando con


28

la señal de electrones secundarios (SE), se pueden distinguir en el material

características como rugosidad y porosidad superficial abierta. Además, al

tener una visión casi completa de las partículas, se puede observar con

claridad su morfología.

Figura 3.4: Microscopio electrónico de barrido PHILIPS XL-30

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

de Microscopía de la Universidad de Sevilla (CITIUS) (Figura 3.4).

4.3 Análisis microestructural

A pesar de la gran variedad existente de sofisticados microscopios

electrónicos, la microscopía óptica sigue siendo una técnica muy útil para el

estudio microestructural de los materiales. Los microscopios electrónicos de

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

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


29

profundidad de campo. Sin embargo, el estudio de un material, hace necesaria

una visión global de su microestructura, comenzando por su observación

macroestructural, para, progresivamente, emplear técnicas que permitan una

mayor magnificación y resolución. Por tanto, el microscopio óptico es un

eslabón fundamental en la cadena de la caracterización estructural de los

materiales, sin el cual se pierde información básica acerca de ellos.

.Figura 4.5: Microscopios ópticos utilizados.

Se han utilizado dos microscopios ópticos NIKON EPIPHOT, modelos

TME y 200 (Figura 4.5). Ambos tienen oculares de 10X y objetivos de 5X, 10X,

20X, 50X y 100X. La captación de imágenes se realiza, mediante una cámara

digital NIKON CoolPix 950. En el microscopio NIKON EPIPHOT-TME dispone

de una pletina motorizada gobernada por una interfaz tipo MCP-BOX de

Kontron Elektronik. Su empleo conjunto con el programa de análisis de imagen

MIP-4 permite realizar cuantificaciones y medidas morfológicas de porosidad.


30

5 Preparación de los compactos

5.1 Obtención de las probetas en verde

Una vez obtenida la cantidad necesaria del polvo y caracterizados los

mismos se procede a la realización de las probetas en verde mediante

prensado.

5.1.1 Preparación previa

El polvo se introduce en una matriz cilíndrica de acero (Figura 4.6)

previa lubricación de esta.

Figura 3.6: Matriz cilíndrica de acero.

Para la lubricación de la matriz se utiliza una suspensión de cera en

acetona, 10 g de cera por cada 100 cm3 de acetona. Esta suspensión se

introduce en la matriz y se vacía súbitamente. Una vez evaporada toda la

acetona ya se puede proceder al llenado de la matriz con el polvo.


31

5.1.2 Compactación de las muestras

Para la obtención de las probetas cilíndricas se utiliza una máquina

universal de ensayos: SUZPECAR MUE-60 (Figura 3.7), máquina que dispone

de un software que permite el control, automatización y seguimiento del

ensayo.

Una vez fijados los parámetros de ensayo, estos se introducen en la

máquina. Los parámetros principales son la velocidad de aplicación de la carga

y la carga final de prensado. La primera viene fijada por el tipo de probeta a

realizar, en este caso probetas cilíndricas, y será de 588 N/s, la segunda

depende del material y porosidad deseada al final del ensayo, estas cargas se

especificarán más adelante.

Una vez realizado el prensado, para la extracción de la probeta es

necesario utilizar otra máquina que posibilita el trabajo a menores presiones, y

que también será utilizada para realizar las curvas de compresibilidad. Esta

máquina es una MALICET ET BLIN U-30 (Figura 3.8), modelo más antiguo y

manual.

Figura 3.7: SUZPECAR MUE-60


32

6 Determinación de la curva de compresibilidad

Para la obtención de las presiones a las que hay que compactar el polvo

para obtener las porosidades deseadas se realizaron las curvas de

compresibilidad de todos los materiales a estudiar.

Figura 3.8: MALICET ET BLIN U-30

6.1 Procedimiento

Una vez introducido el polvo el la matriz previamente lubricada, proceso

idéntico al realizado en la preparación de compactos, a excepción que en este

caso es necesario vibrarlo hasta que llegue a su porosidad de golpeo (punto 3

de este capítulo), se sigue el siguiente procedimiento con la máquina MALICET

ET BLIN U-30:


33

• Se coloca el reloj comparador como se muestra en la figura 3.9. La

parte inferior de la varilla del reloj debe estar unos milímetros por

encima de la bancada inferior.

• Se coloca la matriz cilíndrica en la bancada inferior y la superior se

baja hasta que se encuentre a unos centímetros de la parte superior

del punzón. Esta última ya no se volverá a mover durante todo el

ensayo.

Figura 3.9: Reloj comparador.

• Mediante la apertura de la válvula (de accionamiento manual) se

enrasa el punzón con la bancada superior y se anota lo que marque

el reloj comparador, esta será la medida que utilizaremos como

referencia (marca la altura de la porosidad de golpeo).

• Con una velocidad de 1 Tm/min se aplicara una carga de 2 Tm, y se

mantendrá esta durante 2 min.


34

• Se descargará y se volverá a enrasar el punzón tomando nota de lo

que marque el reloj comparador.

• En el siguiente paso se llegará hasta las cuatro toneladas en dos

tramos, uno hasta las 2 Tm con una velocidad de 4 Tm/min y el otro

desde las 2 Tm hasta las 4 Tm con una velocidad de 1 Tm/min. Esta

carga se vuelve a mantener durante 2 min.

• Se vuelve a descargar y a enrasar tomando nota de lo que marca el

reloj comparador.

• Este proceso se repetirá para 6, 8, 10, 12, 14 y 16 Tm.

El siguiente paso es medir las dimensiones de la probeta resultado del

ensayo, para ello lo primero es eliminar la rebaba de la cabeza y base de la

probeta. Normalmente se hace manualmente utilizando un papel de esmeril de

tamaño de grano medio.

Las medidas se realizaran con el pie de rey, se medirán 8 alturas y 8

diámetros. Se medirán las ocho alturas en los extremos opuestos de cuatro

diámetros de las sección circular de la probeta, y los 8 diámetros se medirán,

cuatro en un extremo (utilizando los 4 diámetros anteriores), dos en el centro y

los dos últimos en el otro extremo.

Una vez obtenidos todos los datos, estos se introducirán en una tabla de

Excel donde se realizan los cálculos necesarios para obtener la curva de

compresibilidad.


35

6.2 Determinación de las presiones posibles para obtener compactos

Una vez realizada la curva de compresibilidad para cada material se

puede determinar las presiones a las que se van a prensar las probetas para

obtener las porosidades deseadas, estas porosidades se indican en el cuarto

capitulo.

7 Tratamiento térmico

Una de las partes fundamentales para la obtención de una correcta

medida de la tortuosidad (recorrido efectivo) en agregados de polvos sometidos

a compresión es llegar a un tratamiento térmico que no varíen la porosidad ni la

forma de los poros de los compactos y que permita la manipulación de la

probeta sin que esta se rompa. Según lo anterior, el tratamiento térmico sólo se

realiza para poder preparar la muestra que va a ser fotografiada al microscopio,

ya que no se puede hacer con el compacto en verde, por presentar éste escasa

resistencia mecánica.

Todas las probetas van a ser introducidas en una atmósfera de argón

para evitar la oxidación durante el tratamiento térmico al que van a ser

sometidas.

7.1 Procedimiento

Para la realización del tratamiento térmico de todos los materiales se ha

utilizado un horno cerámico de tubo horizontal CARBOLYTE type STF

15/75/450, que alcanza una temperatura máxima de 1500 ºC (Figura 3.10).


36

Figura 3.10: Horno cerámico de tubo horizontal CARBOLYTE type STF 15/75/450 y equipo de

vacío.

El horno consta de un tubo aislante dispuesto en posición horizontal de

120 cms de longitud y 86 cms de diámetro externo. En su interior tiene una

cavidad cilíndrica donde se encuentra otro tubo de mayor longitud y cerámico

que tiene en sus extremos dos cierres herméticos refrigerados por agua.

Los compactos se introducen en el interior del tubo, lo mas próximo

posible al centro, ya que es donde la medición de la temperatura es mas fiable.

A continuación se acopla una maquina de vacío en uno de los cierres y en el

otro se conecta un tubo por donde se va a introducir el argón.

Para asegurarnos de que en el interior de tubo solo hay argón se hace

vacío en el tubo (Figura 3.11) y se introduce el argón hasta que la presión sea

de aproximadamente 1,2 atmósferas, esta operación se repite al menos tres

veces con el objeto de eliminar todo el aire del interior del tubo.


37

A continuación se programa el horno para que realice la siguiente curva

temperatura-tiempo (Figura 3.12). El único parámetro que variará será la

temperatura final.

La velocidad de calentamiento será de 20 ºC/min y estará 30 minutos en

la temperatura final, luego se apagará el horno y se dejará enfriar.

Figura 3.12: Curva temperatura-tiempo.

Figura 3.11: Máquina de vacío.

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00

Tiempo (min)

ºC


38

7.2 Pruebas realizadas

7.2.1 Aluminio

7.2.1.1 Prueba a 550 ºC:

Se hizo una primera prueba a 550 ºC con una probeta con una

porosidad del 15%. Las mediciones de porosidad tras la sinterización,

realizadas mediante análisis de imagen, fueron menores que la porosidad

inicial, perece por tanto que la muestra ha sinterizado y ha habido crecimiento

de grano y en consecuencia las condiciones seleccionadas no son validas.

7.2.1.2 Prueba a 450 ºC:

Al igual que antes la prueba se realiza con un compacto al 15% de

porosidad. En este caso la porosidad parece correcta después del proceso

térmico, dándose por válida esta temperatura para la sinterización del aluminio.

7.2.2 Níquel

7.2.2.1 Prueba a 700 ºC:

Se utilizó una probeta con un 45% de porosidad. La medición de la

porosidad nos da resultados por debajo del 45%.

7.2.2.2 Prueba a 500 ºC:

La probeta utilizada tiene una porosidad del 45%. El polvo se suelta un

poco al prepararlo, sobre todo en la superficie, por lo que se decide emplear

una muestra de menor porosidad.


39

7.2.2.3 Prueba a 400 ºC:

Se prueba ahora con una probeta con un 25% de porosidad. En este

caso no se aprecia porosidad, parece haber densificado apreciablemente.

7.2.2.4 Prueba a 350 ºC:

Se realiza una prueba con una probeta al 35% de porosidad. Tras la

preparación de la probeta se observa que es necesario realizar un ataque

químico pues hay suciedad en los poros, siendo esta una posible explicación a

lo observado en la probeta descrita anteriormente. Para ello se utiliza una

solución a partes iguales de agua, ácido nítrico y ácido acético. Se sumerge la

probeta en la solución durante 10 seg. La medición de la porosidad da un

resultado correcto con porosidad igual a la inicial.

7.2.3 Bronce

7.2.3.1 Prueba a 850 ºC:

Se realiza la prueba con una probeta con un 10% de porosidad. Tras la

observación en el microscopio se detecta que ha habido una segregación hacia

los límites de grano del estaño, habiendo zonas más ricas en cobre.

7.2.3.2 Prueba a 750 ºC:

En este caso se utiliza una probeta al 10% de porosidad. La probeta

sinteriza disminuyendo mucho su porosidad.


40

7.2.3.3 Prueba a 650 ºC:

Probeta con un 10% de porosidad. No hay porosidad, aunque los límites

de grano se ven con claridad.

7.2.3.4 Prueba a 550 ºC:

También se utiliza una probeta con un 10% de porosidad. En este caso

la medición por análisis de imagen da una porosidad del 10,7%. Se toma esta

temperatura como la adecuada.

7.2.4 Hierro

7.2.4.1 Prueba a 1050 ºC:

Para esta prueba se utiliza una probeta con un 35% de porosidad. Las

medidas realizadas por análisis de imagen dan una porosidad demasiado baja.

7.2.4.2 Prueba a 850 ºC:

Se utiliza una probeta con un 35% de porosidad. Las medidas por

análisis de imagen dan una porosidad que no es la espera.

7.2.4.3 Prueba a 750 ºC:

Se utiliza también una probeta con un 35% de porosidad. En este caso

las medidas son correctas.


41

7.3 Temperaturas finales del tratamiento térmico realizado

En la siguiente tabla se pueden ver las temperaturas a las que se va a

tratar térmicamente las probetas antes de la medición de la porosidad y su

fotografiado.

MATERIAL TEMPERATURA ALUMINIO 400ºC BRONCE 550ºC HIERRO 750ºC NÍQUEL 300ºC

Tabla 3.1: Temperaturas seleccionadas para la sinterización de los materiales estudiados.

En los casos del aluminio y el níquel se ha decidido realizar los

tratamientos térmicos a una temperatura 50ºC inferior a la de las pruebas

realizadas.

8 Preparación de la muestra para la observación en

microscopio óptico

La preparación de la probeta es una parte fundamental, ya que una buena

preparación hará mucho más sencilla y fiable la posterior medición de la

porosidad y tortuosidad a partir de la micrografía hecha en el microscopio

óptico. Como los microscópicos metalúrgicos modernos poseen una óptica de

elevada precisión y permiten una resolución tan grande como una fracción de

la longitud de onda de la luz empleada en la iluminación de la probeta, es fácil

comprender que la perfecta preparación de ésta es del máximo interés.

8.1 Corte y empastillado Para poder manejar mejor la probeta será necesario su empastillado con

resina (Figura 3.14). La probeta cilíndrica se corta por un plano que contenga el


42

eje del cilindro y la cara cortada será la que se lijara y pulirá para su posterior

observación. En las figuras 4.13 y 4.14 se muestran las máquinas de

empastillado y corte respectivamente.

Figura 3.13: Probeta empastillada.

Figura 3.14: Máquina de empastillado. Figura 3.15: Máquina de corte.

8.2 Lijado y pulido

La preparación de una probeta consiste, en general, en obtener primero

una superficie plana y semipulida, mediante el empleo de papeles de esmeril


43

de tamaño de grano decreciente o realizando éste desbaste con discos

adecuados sobre los que se deposita un abrasivo (Figura 4.16), terminando

con un pulido fino y final sobre discos provistos de paños (Figura 4.17). Este

pulido final consta de dos partes, una inicial con diamante de 0.3 µm y un

segundo pulido con magomet.

El objeto de esta preparación es la obtención de una superficie

especular, que es la requerida para efectuar el ataque químico y observar

adecuadamente la estructura.

8.3 Ataque químico [8]

Tras el lijado y pulido de la probeta se procede, en los cuatro casos, al

ataque químico. Como el objetivo final es la medida de los recorridos efectivos,

y estos se van a medir a partir de una fotografía, este ataque químico no debe

ser muy fuerte y tiene como función principal eliminar cualquier resto de

material arrastrado durante el pulido. Este ataque debe limitarse, ya que no

interesa que aparezcan muy definidos los límites de grano, pues estos

cortarían un posible recorrido de la electricidad al utilizar el algoritmo Pathfindig

sobre la imagen obtenida.

Figura 3.16: Discos de desbastado. Figura 3.17: Discos provistos de paños.


44

El ataque químico realizado consiste en sumergir durante unos diez

segundos la probeta en una solución química, es preferible que el baño se de

con la superficie pulida mirando hacia abajo.

La solución química empleada en cada material puede verse en la tabla

3.2.

MATERIAL SOLUCIÓN QUIMICA ALUMINIO Keller (2.5% FH, 2.5% HCl, 2,5% HNO3 y 92.5% H2O) BRONCE Cloruro férrico alcohólico HIERRO Nital (5% Ac. Nítrico en etanol) NÍQUEL Partes iguales de Ac. Acético, Ac. Nítrico y agua.

Tabla 3.2: Soluciones químicas empleadas para cada material.

9 Obtención de las micrografías. Medición de la porosidad

Para la obtención de imágenes se utiliza una cámara digital NIKON

CoolPix 950 acoplada al microscopio NIKON EPIPHOT-200.

Las fotos se realizarán con el menor aumento posible ya que de esta

forma se obtienen muestras lo suficientemente representativas. Con el

aluminio, el bronce y el hierro se ha utilizado el objetivo 5X y con el níquel, que

tiene un tamaño de grano más pequeño, ha sido necesario utilizar un objetivo

50X.

Además, para descartar la dependencia de los recorridos efectivos con

los aumentos a los que se han realizado las micrografías, se han tomado para

el hierro, micrografías con un objetivo 10X, a las que se van a hacer las

mismas mediciones que a las micrografías con un objetivo 5X, para su

posterior comparación.


45

9.1 Medición de la porosidad

Para medir la porosidad de la muestra se va a utilizar el software

Tecnomip ver. 4.01. Este programa nos permite medir la porosidad de la

muestra a partir de una micrografía. En la figura 3.18 se muestra una

micrografía original (obtenida directamente del microscopio) y esta misma una

vez binarizada para la medición de la porosidad.

Foto original Foto modificada

Figura 3.18: Medición de la porosidad con Tecnomip 4.01

Lo que se ha hecho es convertir la micrografía a color en otra a escala de

grises y posteriormente marcar un umbral (un tono de gris) que diferencie entre

el poro y el material. Una vez hecho esto la micrografía solo tiene dos colores,

negro y blanco que son los poros y el material respectivamente. De esta forma

el programa puede calcular el espacio ocupado por los poros, y por tanto la

porosidad de la muestra.

10 Medición del recorrido eléctrico efectivo

Para medir los recorridos efectivos se ha utilizado un programa realizado

por el Grupo de Metalurgia e Ingeniería de los Materiales que utiliza el

algoritmo Pathfindig A*. Este programa solo admite un tipo de fotografía muy

específico (mapa de bits con una resolución de 640x480 píxeles), por lo que es


46

necesario modificar las micrografías que se han obtenido con el programa

Tecnomip. Al realizar el cambio de tamaño de la micrografía puede producirse

una variación de la porosidad debido a que los programas para tratamiento de

fotografías realizan algún tipo de interpolación. Tras la utilización de diversos

programas de tratamiento fotográfico se optó por utilizar el MIP4 ya que este

apenas modifica las proporciones del blanco y el negro el la micrografía, por lo

que la porosidad se mantiene prácticamente constante.

Este programa (el utilizado para medir los recorridos efectivos) nos

muestra gráficamente los recorridos calculados (figura 3.19) y nos da los

valores de NE LL / y 0/ LLE . Para todas las micrografías de los compactos se

ha medido el recorrido efectivo partiendo de todos los píxeles del borde inferior

y se ha tomado como resultado final la media de todos ellos. Esta medida se ha

hecho para distintos valores del parámetro multiplicidad (constricción

electromagnética) introducido en el apartado 2.3.2.

Figura 3.19: Programa utilizado para medir los recorridos efectivos.


47

El funcionamiento detallado de este programa puede consultarse en el

Anexo II.

capÍtulo 3: procedimiento experimental [7]bibing.us.es/proyectos/abreproy/4016/fichero...5.1.2...

Documents