escuela superior de ingenierÍa ecÁnica y...
TRANSCRIPT
DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMPACTACIÓN PARA
MATERIALES OBTENIDOS POR ALEADO MECÁNICO
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
DIRECTOR DE TESIS:
DR. FELIPE HERNÁNDEZ SANTIAGO ING. MARCO ANTONIO CÁRDENAS MARTÍNEZ
P R E S E N T A:
FUENTES HERNÁNDEZ ALEJANDRO JAIR
MÉXICO, D.F. MARZO DEL 2011
INGENIERO MECÁNICO
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO
ii
iii
AGRADECIMIENTOS: Agradezco a Dios por la fuerza y sabiduría que me dio para salir adelante en mi vida y en mi camino. A mis Padres Arturo Fuentes Hernández y Alejandra Hernández Peréa, que por su cariño, apoyo, inspiración y el gran esfuerzo que durante mi vida realizaron para poderme sacar adelante, les agradezco el sacrificio que hicieron y que por ustedes he podido realizarme como persona y profesionista, pues por sus consejos supe valorar el verdadero esfuerzo que día a día ustedes hacen para que me supere y su sabiduría que me sirvió como ejemplo para querer ser algún día como ustedes. A mi hermano Arturo Fuentes Hernández por sus acciones en la vida me dio pautas en mi vida para salir adelante en todos los aspectos de mi vida y estuvo siempre apoyándome para salir adelante. A mi sobrina Victoria Romina Fuentes Miranda que fue mi motor de vida para que nunca me rindiera y diera lo mejor de mí. A todas aquellas personas (familiares y amigos), que estuvieron a mi lado apoyándome día tras día y me ofrecieron su mano para que este trabajo diera frutos también les agradezco todo lo que hicieron por mí. A mi Alma Mater el Instituto Politécnico Nacional, a mi escuela ESIME y a mis profesores por sus conocimientos que me compartieron y durante mi formación profesional que me ayudaron a adquirir conocimientos invaluables para poder algún día compartirlos de la misma forma en que estos me ayudaron.
iv
Índice General
Indice General iv Índice de Figuras viv Índice de Tablas viii Resumen. ix Justificación ix Objetivo General. x 1. Estado del Arte ¡Error! Marcador no definido.
1.1 Mezclado de Polvos Metálicos 2 1.1.1 Riesgos 2
1.2 Compactación de Polvos Metálicos 3 1.2.1 Comprimido en Crudo o en Verde 4 1.2.2 Equipo 6 1.3 Aleado Mecánico (AM) 7
1.3.1 Mecanismo de Aleado Mecánico 8
1.3.2 Maquinas compactadoras para AM 9
2 Generalidades 13
2.1Principios de funcionamiento de la máquina 13
2.1.1 El aleado mecánico 13
2.1.2 Principios de funcionamiento aplicados a la máquina 14
2.2 Sumario 16
3 Diseño conceptual 19
3.1 Etapa de definición 19
3.1.1 Identificación del cliente 19
3.1.2 Determinación de los requerimientos del cliente 19
3.1.3 Determinación de la importancia de requerimientos 20
3.1.4 Estudio comparativo de productos existentes 21
3.1.4.1 Máquina de SPS 21
3.1.4.2 Máquina de compactación dinamica 21
3.2 Comparación con máquinas del mercado 21
3.3 Traducción de los requerimientos del cliente 22
3.4 Metas del Diseño 23
3.5 Etapa Preliminar del Diseño 24
v
3.5.1 Generación del Concepto 24
3.5.2 Tormenta de Ideas 24
3.5.3 Evaluación de Conceptos 25
3.6 Metas del Diseño 23
3.7 Datos generales del diseño conceptual 27
3.7.1 Diseño Conceptual de la Camara 27
3.7.2 Horno con resistencia 28
3.7.3 Embolo 29
3.7.4 Dado de contención de polvos 29
3.7.5 Sistema de refrigeración 30
3.8 Funcionamiento de la máquina 30
4 Diseño a Detalle 33
4.1 Etapas Diseño a Detalle 33
4.1.1 Diseño del cuerpo principal 33
4.1.2 Diseño de la tapa inferior 38
4.1.3 Diseño de la tapa superior 39
4.1.4 Diseño del émbolo 40
4.2 Manufactura de la cámara 41
4.2.1 Especificaciones de la materia prima 41
4.2.2 Especificaciones de las partes estandarizadas 42
4.2.3 Procesos de fabricación 43
4.2.4 Fabricación del cuerpo principal 44
4.2.5 Fabricación tapa inferior 51
4.2.6 Fabricación tapa superior 54
4.3 Integración del sistema de compactación 62
4.4 Costos de la cámara 64
5.1 Consolidación de Cobre 67
5.1.1 Micro estructuras de las muestras consolidadas 67
5.1.1.1 Microscopia óptica 67
5.1.2 Micro dureza 68
5.1.3 Tamaño de grano 70
5.1.4 Densidad 71
CONCLUSIONES 74
vi
BIBLIOGRAFIA 75
Índice de Figuras 1.1 Compactación de Polvos Metálicos 3
1.2 Herramientas y juego de matrices para engrane 3
1.3 Densidad de comprimidos de cobre 4
1.4 Efectos de la densidad sobre la tensión 5
1.5 Variación de la densidad en la compactación 5
1.6 Presiones de compactación 6
1.7 Prensa mecánica 7
1.8 Evolución micro estructural del Aleado Mecánico 8
1.9 Palanca de presión simple 9
1.10 Máquina Compactadora 10
1.11 Máquina Compactadora de Aleaciones Metálicas 11
2.1 Principio de Funcionamiento AM 15
2.2 Maquina Compactadora de Compósitos 16
3.1 Bosquejo de la Cámara 28
3.2 Bosquejo del Embolo 29
3.3 Bosquejo del Dado 30
3.4 Diseño del sistema en conjunto 31
3.5 Máquina montada en la prensa 31
4.1 Esquema de operación del sistema de compactación 34
4.2 Perfil de la ranura para el sello de la tapa 37
4.3 Modelo final del cuerpo principal 38
4.4 Modelo final de la tapa inferior 39
4.5 Modelo final de la tapa superior 39
4.6 Diseño del émbolo 40
4.7 Diagrama de proceso general de fabricación 44
4.8 Diagrama de proceso del cuerpo principal 50
4.9 Fotografía del cuerpo principal 51
4.10 Fotografía de tapa inferior 53
4.11 Diagrama de proceso de la tapa superior 61
vii
4.12 Fotografía tapa superior fabricada 62
4.13 Integración del horno a la cámara de compactación 62
4.14 Montaje de la cámara sobre la prensa hidráulica 63
4.15 Montaje final de la cámara con conexiones 63
5.1 Micrografías de muestras sinterizadas (600 oC) 63
5.2 Micrografías de muestras sinterizadas (400 oC) 63
5.3 Comportamiento de la dureza de las muestras 69
5.4 Tamaño de grano en muestras sinterizadas a 500 Mpa 71
5.5 Variación de la densidad en función del tiempo 73
viii
Índice de Tablas
1.1 Ventajas y Desventajas entre Máquinas 10
1.2 Ventajas y Desventajas con máquina SPS 11
2.2 Ventajas y desventajas de máquina del proyecto 16
3.1 Método de Eliminación por Pares 20
3.2 Ponderación de requerimientos 20
3.3 Comparación de máquinas compactadoras 22
3.4 Términos Mesurables 22
3.5 Metas del diseño 23
3.6 Matriz de decisión 26
4.1 Lista de materia prima para fabricación de componentes 41
4.2 Lista de piezas estandarizadas 42
4.3 Hoja de proceso del cilindro principal 44
4.4 Hoja de proceso del cilindro principal 44
4.5 Hoja de proceso de tapa inferior 51
4.6 Hoja de proceso de pieza 1 tapa superior 54
4.7 Hoja de proceso de pieza 2 tapa superior 56
4.8 Hoja de proceso de pieza 3 tapa superior 59
4.9 Costo desglosado de la cámara 65
5.1 Valores de dureza en muestras consolidadas 68
5.2 Valores de dureza obtenido por Srivatsan y colaboradores 69
5.3 Determinación del tamaño de grano a 600 0C y 400 0C 70
5.4 Densidad de muestras consolidadas 72
5.5 Valores de densificación 73
ix
Resumen.
Se diseño un sistema de compactación para la creación de aleaciones mecánicas de
polvos para cumplir con los requerimientos del cliente que serán presentados dentro del
QFD. Cumplir con los dos principios de funcionamiento que tendrá la máquina que son la
aleación mecánica y el proceso de presión isostático en caliente.
Para cumplir con el primer principio de funcionamiento Aleado Mecánico, se diseñara un
sistema que sea capaz de transmitir una carga provocada por una fuerza externa hacia un
dado el cual contendrá los polvos a ser compactados.
Para cumplir con el segundo principio de funcionamiento Proceso Isostático en caliente,
Se deberá de diseñar una cámara que sea capaz de retener un vacio de argón y dentro de
la cámara colocar un horno que pueda tener una temperatura mínima de 100ºC y una
temperatura máxima de 800º C para calentar los polvos a sinterizar y evitar la oxidación
en las muestras con el control de la atmosfera.
Los dos principios deberán de cumplirse simultáneamente pues la carga será constante en
todo el proceso, la temperatura se elevara hasta la temperatura deseada de sinterizado y
el control de atmosfera ya sea vacio o una atmosfera rica en Argón se inyectara desde un
principio. Así los dos principios podrán ser realizados.
Justificación.
En las últimas décadas, la industria automotriz y aeroespacial, han incrementado la
aplicación de Compósitos de Matriz Metálica (CMM) base aluminio, titanio y magnesio,
debido a la necesidad de emplear materiales con mejores propiedades mecánicas y físicas
como alta rigidez, resistencia a la fricción, resistencia al desgaste y modulo elástico; los
CMM base Al son más usados debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades
mecánicas, alta resistencia a la corrosión y fácil manufactura.
Los compósitos base Al son reforzados con fibras de carbono y partículas de cerámicos
como SiC , Al2O3, B4C, Ni6Nb4 mejorando sus propiedades pero también han mostrado
x
una marcada reducción en su manufactura debido a la presencia de grietas, que estos
provocan en la matriz . En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de
compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Fe-Al y Ni-Al dentro del cual
destaca el Ni3Al ya que muestra alta resistencia a la corrosión/oxidación y densidad
relativamente baja combinada con la capacidad de conservar su resistencia a elevadas
temperaturas que lo hace potencialmente útil para aplicaciones estructurales.
Por otra parte, mediante el proceso de Aleado Mecánico (AM), es posible la síntesis de
compuestos intermetálicos, ofreciendo la posibilidad de mejorar sus propiedades
mecánicas debido a la disminución del tamaño de grano a escala nanométrica. Aún
cuando es posible obtener materiales nanocristalinos mediante esta técnica de estado
sólido, es necesario emplear técnicas de consolidación que permitan disminuir el
crecimiento de grano tanto como sea posible.
La síntesis de compósitos principalmente se lleva a cabo mediante fusión, siendo hasta
ahora la técnica de consolidación más empleada; adicionalmente, existen otras opciones a
partir de polvos como Presión Isostática en caliente (HIP), Presión Isostática en frío (CIP),
Sinterización por Plasma (SPS) y consolidación por Onda de Choque, entre otras que
permiten retener en mayor grado las características nanoestructurales [21] del proceso de
AM y obtener densificaciones elevadas.
Objetivo General.
Diseñar, fabricar y caracterizar un equipo capaz de retener una atmosfera o estar en
vacio, que cuente con un sistema capaz de transmitir una carga externa hacia los polvos,
que contenga un horno para que caliente los polvos a la temperatura requerida y que la
máquina cuente con un sistema de refrigeración para evitar el sobre calentamiento de la
máquina ocasionado por la transferencia de calor que es generado por el horno y
transmite el calor hacia la cámara.
.
ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se trataran los
antecedentes que se tienen acerca de
las aleaciones mecánicas de
aluminio que ya existen y también
se trataran las máquinas que existían
para realizar dichas aleaciones
aplicando así los principios de
funcionamiento de la máquina.
1
2
1.1 Mezclado de Polvos Metálicos
El mezclado de polvos es el segundo paso en la metalurgia de polvos y se lleva a cabo
con los siguientes objetivos:
a) Como los polvos fabricados por diversos procesos tienen distintos tamaños y
formas, se deben mezclar para obtener uniformidad. La mezcla ideal es aquella en
la que todas las partículas de cada material se distribuyen uniformemente.
b) Se pueden mezclar los polvos de distintos metales y de otros materiales, para
impartir propiedades y características físicas y mecánicas especiales al producto.
c) Se pueden mezclar lubricantes con los polvos, para mejorar sus características de
flujo. Se obtiene una menor fricción entre las partículas metálicas, mejor flujo de los
metales en polvo hacia los moldes y una mayor vida de las matrices. Los
lubricantes que se usan con frecuencia son ácido esteárico o estearato de zinc, en
la proporción de 0.25 a 5% en peso.
El mezclado de los polvos se debe hacer bajo condiciones controladas, para evitar
contaminación o deterioro. El deterioro se debe a mezclado excesivo, que puede modificar
la forma de las partículas y endurecerlas por trabajo, dificultando así la siguiente operación
de compactación. Los polvos se pueden mezclar en aire, en atmósferas inertes ( para
evitar la oxidación ) o en líquidos, que funcionan como lubricantes y hacen más uniforme
la mezcla. Se dispone de varios tipos de equipo de mezclado (figura 1.1). Para mejorar y
conservar la calidad. Estas operaciones se controlan cada vez más con
microprocesadores.
1.1.1 Riesgos
Por su gran relación de superficie a volumen, los polvos metálicos son explosivos en
especial el aluminio, magnesio, titanio, circonio y torio. Se debe de tener gran cuidado
durante el mezclado y en el almacenamiento y el manejo. Entre las precauciones están a)
conexión del equipo a tierra, b) Prevención de chispas (usando herramientas que no las
3
produzcan y evitando fricciones que son fuentes de calor) y c)prevención de nubes de
polvo, llamas descubiertas y reacciones químicas.
1.2 Compactación de Polvos Metálicos
La compactación es el paso en el que los polvos mezclados se prensan en matrices, o
moldes para obtener las formas (figuras 1.1 ,1.2). Las prensas que se usan son de acción
hidráulica o neumática. Los objetivos de la compactación son obtener l a forma, densidad
y contacto entre partículas necesarias para que la parte tenga la resistencia suficiente y
pueda seguir procesando.
Figura 1.1 compactación de un polvo metálico para fabricar un buje
(Comprimido en Crudo)
Figura 1.2 Herramienta y juego de matrices típicos para compactar un engranaje recto
4
1.2.1 Comprimido en Crudo o en Verde El polvo prensado se llama comprimido crudo o en verde. El polvo debe fluir con facilidad
para llenar la cavidad del molde. El prensado se suela hacer a temperatura ambiente,
aunque también se puede hacer a altas temperaturas.
La densidad del comprimido crudo depende de la presión aplicada (figura 1.3) Al aumentar
la presión de compactación, la densidad tiende a la del metal macizo. Otro factor
importante es la distribución de tamaños de las partículas. Si todas las partículas son del
mismo tamaño siempre habrá algo de porosidad cuando se empaquen (teóricamente,
cuando menos el 24% del volumen.
Figura 1.3 Densidad de comprimidos de cobre
Mientras la densidad, la resistencia y el módulo de elasticidad de la pieza serán mayores
(Figura 1.4).La razón es que al aumentar la densidad será mayor la cantidad de metal en
el mismo volumen, por lo que aumentará su resistencia contra las fuerzas externas. Por la
fricción entre las partículas metálicas del polvo, y la fricción entre los punzones y las
paredes del dado, la densidad en el interior de una pieza puede variar en forma
considerable.
5
Esta variación se puede reducir al mínimo con un diseño correcto de punzón matriz, y
controlando la fricción. Podrá necesitarse, por ejemplo, usar varios punzones con
movimientos separados, para asegurar que la densidad sea casi uniforma en toda la parte
(Figura 1.5). Hay que recordar una descripción parecida acerca de la compactación de
arena en la fabricación de los moldes.
De la figura 1.3 r Densidad de comprimidos de polvo de cobre y de hierro, en función de la
presión de compactación. La densidad influye mucho sobre las propiedades mecánicas y
físicas fabricadas por la metalurgia de polvos
Figura 1.4 Efecto de la densidad sobre la resistencia a la tensión, alargamiento y
conductividad eléctrica de polvo de cobre .IACS, por sus siglas en ingles y que significa norma internacional de cobre recocido, para conductividad eléctrica
Figura 1.5 Variación de la densidad al compactar polvos metálicos en diversas matrices: a
y c prensa de acción sencilla; b y d prensa de doble acción
6
Se puede apreciar en b y d la uniformidad de la densidad por prensar con dos punzones
con movimientos separados en comparación de curvas de presión igual al compactar
polvo de cobre en una prensa de acción sencilla.
1.2.2 Equipo
La presión necesaria para prensar metales en polvo va de 70 MPa para el aluminio, hasta
800 MPa, para partes de hierro de alta densidad (Figura 1.6). La presión de compactación
necesaria depende de las características y la forma de las partículas del método de
mezclado y del lubricante.
Figura 1.6 Presiones de compactación para diversos polvos metálicos
La capacidad de las prensas es de 1.9 a 2.7 MN aunque se usan prensas de capacidades
muchos mayores en aplicaciones especiales. En la mayor parte de las aplicaciones se
requieren menos de 100 toneladas. Para fuerzas pequeñas se usan prensas mecánicas
de manivela o excéntrica; para capacidades mayores se usan prensad de rótula o de
palanca. Las prensas hidráulicas (figura 1.7) con capacidades hasta de 45 MN se pueden
usar para partes grandes.
7
La selección de la prensa depende del tamaño y la configuración de la pieza, de la
densidad requerida y de la tasa de producción. Sin embargo, si aumenta la rapidez de
prensado, aumentará la tendencia de la prensa a aprisionar aire en la cavidad de la matriz.
Evitando una compactación correcta.
Figura 1.7 Prensa mecánica
1.3 Aleado Mecánico. Las primeras investigaciones sobre AM fueron desarrolladas por John S. Benjamín a
finales de los 60s y fueron enfocadas a la producción de super-aleaciones base hierro y
níquel. En general, el AM es un proceso de molienda de polvos metálicos, comúnmente
en seco, que consiste en repetidas deformaciones plásticas: molienda, laminación,
prensado, etcétera; con el objetivo de generar una aleación homogénea de dos o más
constituyentes mediante la unión (soldadura) y fractura de las partículas. Una de sus
ventajas, es la posibilidad de usar atmósferas especiales (Ar, N2, H2, NH3, etc.) para evitar
la oxidación o inducir alguna reacción química a baja temperatura.
Este proceso hace posible la dispersión fina de partículas de segunda fase, extensión en
los límites de solubilidad sólida, refinamiento del tamaño de grano a niveles nanométricos,
síntesis de fases intermetálicas cristalinas y fases cuasi-cristalinas, desarrollo de fases
amorfas (vítreas), desordenamiento de intermetálicos, aleación de elementos que son
difíciles de sintetizar mediante procedimientos convencionales.
Los medios típicos de molienda usados incluyen bolas de acero de alta dureza, acero
inoxidable o materiales cerámicos; así mismo, el equipo empleado para el AM, consiste en
8
molinos de alta o baja energía tales como atricionadores, vibratorios, planetarios y
horizontales (comerciales).
1.3.1 Mecanismo de Aleado Mecánico Durante la molienda las partículas de polvo son frecuentemente aplastadas, soldadas en
frío, fracturadas y soldadas nuevamente. Siempre que dos bolas chocan, cierta cantidad
de polvo es atrapado entre ellas; alrededor de mil partículas con un peso agregado de
apenas 0.2 μm son atrapadas durante cada colisión. La fuerza de impacto deforma
plásticamente las partículas de polvo conduciendo a su endurecimiento y fractura (figura
1.8). Desde tempranas etapas de molienda, las partículas son suaves, si usamos cualquier
combinación de material dúctil-dúctil o dúctil-frágil; su tendencia a soldarse y a formar
partículas grandes es alta.
Figura 1.8 Evolución microestructural de una aleación durante el proceso de AM (a) Etapa inicial, (b) Etapa intermedia y (c) Etapa final.
Bola
Medio de
Partículas
f
Ni/A
a)
Laminas
Ni
Al
b)
c)
Laminasfracturad
9
La naturaleza de las fases formadas en el AM, depende de las reacciones mecano-
químicas que se generan en el sistema de aleación; tales como: cantidad de deformación
y fractura, atmósfera, tiempo, temperatura, naturaleza y cantidad de agente de control
usado en el proceso.
Durante el aleado mecánico se tienen tres etapas que es la etapa inicial esta es cuando
las dos bolas se empiezan a juntar y chocan con las partículas deformadas de Al y Ni. La
etapa intermedia. Debido a la presión ejercida por las bolas las partículas deformadas se
juntan y se forman laminas soldadas. La etapa final es cuando ya están aleadas las
partículas de Al y Ni y llegan a fracturarse para asi poder realizar el estudio de la aleación.
1.3.2 Maquinas compactadoras para aleaciones mecánicas
Figura 1.9 Palanca de presión simple
De la figura 1.9 Esta máquina compactadora funciona con el principio en el que los
materiales se colocaban al centro y se compactaban con el uso de una palanca aplicando
la fuerza el operante de tal maquina no había muchas ventajas pero fue la maquina
pionera para el estudio y la creación de aleaciones de metales
10
VENTAJAS DESVENTAJAS
Primer máquina para creación de
aleaciones
material tenía que ser previamente
calentado
Se pudo estudiar las aleaciones de
metales
No se podía alear completamente
No se tenía la presión adecuada para
compactar el material
Requeria de menor energía Mayor tiempo
Tabla 1.1 comparación de ventajas y desventajas que se tienen con la maquina
Figura 1.10 Máquina Compactadora
En esta máquina los polvos eran pre mezclados para después ser vaciados en un molino
donde eran finamente molidos mezclados por completo para pasar a un cilindro donde el
tornillo sin fin pasaba y ejercía presión para inyectarlos en un molde, después en el molde
eran calentados los polvos en un solvente hasta lograr su Sinterización.
11
Figura 1.11 Máquina Compactadora de Aleaciones Metálicas(SPS)
Esta máquina usa los principios de aleado mecánico y el HIP cuenta con un sofisticado
sistema para tener un control de todos los elementos que entran en función para las
aleaciones (temperatura, vacio, presión y refrigeración)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Uso de ventiladores Máxima capacidad de presión es de 15
toneladas
Refrigeración atreves de agua Costo de $5,000,000.00
Controladores de temperatura Tamaño de gran escala
Creación de vacío y atmosfera con
diversos gases
Crea una aumento en la superficie
Capacidad para crear diversas
aleaciones de metales
Puede ocasionar fractura en los límites
de grano y descomposición
Tabla1.2 Ventajas y Desventajas
GENERALIDADES
En este capítulo se trataran los
principios de funcionamiento que la
máquina usara que son el principio
de Aleado Mecánico (AM) y el
Prensado en caliente y como serán
involucrados dentro de la máquina
los dos principios de
funcionamiento.
12
2. Generalidades
Principios de funcionamiento de la máquina
Aleado Mecánico es el uso de fuerzas externas que actúan en compresión en los polvos
que son tratados térmicamente
El HIP Es el tratamiento que ocupa un vacio de argón para evitar la porosidad en las
aleaciones y es tratado térmicamente al igual que el aleado mecánico
2.1 Principio de funcionamiento de la máquina
El primer principio de funcionamiento es el aleado mecánico y el segundo es el HIP.
2.1.1 El aleado mecánico El aleado mecánico es la formación de aleaciones mediante el uso de una fuerza
externa, es decir la combinación a nivel atómico de dos o más metales sólidos, se realiza
por la acción de una fuerza comprensiva; a diferencia del aleado convencional que se
realiza mediante la mezcla de los metales fundido en un crisol.
En la práctica, el aleado mecánico se consigue mezclando polvos muy finos de diferentes
metales. La mezcla es introducida en un molino de alta energía, donde las partículas de
polvo se comprimen unas con otras, hasta que prácticamente se sueldan, obteniendo una
combinación a escala atómica. El polvo aleado mecánicamente, puede entonces ser
moldeado y tratado térmicamente para producir piezas útiles, o bien, puede ser usado
como recubrimiento, catalizador o conductor.
Los materiales cristalinos tienen muchos cristalitos orientados de diferente manera entre
sí, es decir, están todos unidos pero con diferentes orientaciones, a esos les llamamos
materiales policristalinos y el tamaño de estos cristalitos influye notablemente en sus
propiedades, lo cual puede ser muy variado.
El desarrollo de aleaciones de alta resistencia a temperaturas elevadas es poco
promisorio, debido a que los precipitados de estas aleaciones, a altas temperaturas, tienen
tendencia a la coalescencia y/o disolución. Para superar estos inconvenientes, se han
desarrollado las llamadas aleaciones endurecidas por dispersión. Estos materiales
presentan una combinación única de alta resistencia mecánica y altas conductividades
eléctrica y térmica. Adicionalmente, estas propiedades s se mantienen incluso después de
13
exposiciones a temperaturas cercanas al punto de fusión del cobre puro. Mediante la
adición de dispersoides termodinámicamente estables, que no coalescen y no se
disuelven a temperaturas altas, producen en el cobre excelentes propiedades mecánicas.
Estas partículas deben encontrarse uniformemente distribuidas y deben ser lo
suficientemente pequeñas para que con fracciones volumétricas bajas, el espaciado entre
ellas produzca un efecto de endurecimiento notable. Las partículas finas deben mantener
su espaciado y tamaño originales a temperaturas altas, parámetros topológicos que del
proceso de manufactura de la aleación. Los métodos comúnmente usados en la obtención
de aleaciones endurecidas por dispersión son, entre otros, mezcla mecánica,
descomposición de sales, oxidación interna, reducción selectiva y aleación mecánica.
Presión Isostática en Caliente (HOT ISOSTATIC PRESSING) HIP
Es un proceso de manufactura usado para reducir la porosidad de los metales y la
influencia de la densidad de varios materiales cerámicos.
El proceso de HIP trata de un componente tanto a temperatura elevada y la presión
isostática del gas en un buque de alta presión de contención. El gas que mas se utiliza es
el argón pues no crea una reacción química. La cámara es aislada causando que la
presión interna aumenta y la presión aplicada al material se presenta en todas direcciones
de ahí el termino de isostático, también es usado como parte del sinterizado y para
proceso de fabricación de compósitos de metal.
Para procesos de pruebas el argón es aplicado entre 103 MPA y 310 MPA siendo la
presión de 103 la más común. El proceso alcanza temperaturas entre 4800 C y 1315o C
para superaleaciones de base níquel.
La aplicación simultánea de calor y la presión interna elimina huecos y microporosidad
mediante una combinación de la deformación plástica, fluencia, y la difusión de unión.
Aplicaciones primarias son la reducción de defectos o vacancias, la consolidación de polvo
de metales, cerámicos y compuestos de metales en revestimiento.
2.1.2 Principios de funcionamiento aplicados en la máquina La maquina usa los dos principios antes mencionados pues el aleado mecánico entra en
función cuando los polvos de aluminio y níquel sean compactados con una presión de 60
toneladas a una temperatura de 660o C dentro de la cámara en la cual se tendrá un vacio
14
de argón para así, evitar la reacción química de oxidación en los materiales esto gracias
al principio del HIP
Estos dos principios se utilizan por que habrá un aumento de superficie de contacto
cuando estén a la presión de 60 toneladas, podrá permitir la disminución del tiempo de
aleación a una temperatura mayor y obtendrá una protección por la atmosfera inerte de
argón. Esto quiere decir que tendrá las condiciones adecuadas para que el material no se
fusione y se haga uno solo pues solo se quiere unir en una superficie lo suficientemente
grande y aleada para poder estudiar los compósitos de Al- NI3Al esto puede ser estudiado
debido a que los limites de grano no serán tan afectados pues solo estarán unidas las
partículas y no fusionadas por completo.
Figura 2.1 Principio de Funcionamiento (am)
La maquina consta de un émbolo que corre a través de un cilindro para ejercer la presión.
Los polvos están dentro de un horno que los mantiene a una temperatura de fusión de
660o C el horno está aislado por material cerámico y se calienta a través de resistencias,
tiene una base suficientemente fuerte para soportar la presión ejercida sobre los polvos,
cuenta con termopares para poder controlar la temperatura del horno, existe una
conexión para controlar la atmosfera de argón con ayuda de un sistema de vacío.
15
Figura 2.2 Máquina Compactadora de Compositos de Al –Ni
VENTAJAS DESVENTAJAS
Una mejor aleación para los metales Solo es capaz de realizar un tipo de
aleación
Capacidad de hasta 60 toneladas de
presión
Sufre de sobrecalentamiento
Un costo de producción aproximado de
$5,000.00
Cámara muy pequeña y poca capacidad
para contener material
Una aleación de metales más certera y
para mejor estudio
No existe controladores para todo el
sistema
El horno necesita de menor energía para
elevar la temperatura
Derrite las juntas
Es de Aluminio el cual soporta mayor
temperatura
Necesita un sistema de refrigeración
Evita la oxidación por ser de aluminio Mayor tiempo de uso
Es de fácil transporte
Tabla 2.1 Ventajas y desventajas de la máquina compactadora (proyecto)
2.2 Sumario.
El sistema es montado a una prensa que registra la presión ejercida en el embolo, en el
caso del flujo este se controla conectándose a un sistema de recirculación el cual
16
17
mantiene de manera automática la temperatura del agua circulante en 18 ºC mediante un
sistema de radiadores y ventiladores. La temperatura es controlada en base a un sistema
de reóstato que controla el voltaje suministrado a las resistencias del horno y el termopar
colocado en un costado del dado registra la temperatura del sistema.
DISEÑO CONCEPTUAL
En este capítulo se efectuara el
QFD (Despliegue de funciones
de calidad) para determinar los
requerimientos del cliente darle
de mayor a menor importancia a
cada uno y como serán
solucionados para la realización
del proyecto.
18
3 Diseño Conceptual.
El proceso para la generación de un diseño conceptual está compuesto por dos etapas:
La etapa de definición, que consiste en establecer el problema o necesidad a resolver
mediante requerimientos del cliente y traducir de estos a términos mesurables de
ingeniería; La segunda etapa es la denominada preliminar del diseño y consiste en un
proceso creativo para la generación de conceptos que satisfagan el problema definido
previamente.
3.1 Etapa de Definición
La metodología que emplearemos para esta primera etapa será el despliegue de
funciones de calidad (QFD por sus siglas en ingles). El QFD tiene como objetivo
primordial, integrar los requerimientos y expectativas de los clientes, al proceso del diseño.
En esta etapa los requerimientos del cliente se traducen en términos mesurables de
ingeniería, aquí también se definen las características que deberá tener el producto,
expresadas como una serie de metas de diseño.
3.1.1 Identificación del cliente En general este tipo de sistemas de compactación son utilizados con fines de
investigación, por lo tanto se podría afirmar que el cliente sería a aquella persona que
tenga la necesidad de consolidar aleaciones mediante la compactación en caliente de
materiales granulares.
3.1.2Determinación de los requerimientos del cliente En función del paso anterior, se presenta un listado de los requerimientos que debe
cumplir el sistema para satisfacer las necesidades del cliente:
A.- Que opere a temperaturas elevadas
B.- Que opere bajo presiones altas
C.- Que pueda operar con una atmosfera interna de gas argón o con vacío
D.- Que sea de operación segura
19
E.- Que pueda ser portátil
F.- Que sea económica
3.1.3 Determinación de la importancia de los requerimientos del cliente:
Para la determinación de la importancia se procederá al método de eliminación por pares,
este método, se basa en comparar cada elemento de la primera columna contra cada
elemento de la primera fila, colocando un “+” si es de mayor importancia y “-“si es de
menor importancia; al final el requerimiento que sume mayor cantidad de “+” será el de
mayor importancia.
A B C D E F Σ(+) % Ponderación
A / - - - + + 2 13.33 7
B + / - - + + 3 20.0 8
C + + / - + + 4 26.66 9
D + + + / + + 5 33.33 10
E - - - - / + 1 6.66 6
F - - - - - / 0 0 5
Total 15 Σ=100%
TABLA 3.1 Método de Eliminación por Pares
PONDERACION Requerimiento
10 D Que sea de operación segura
9 C Que pueda operar con una atmosfera
interna de gas argón o con vacío
8 B Que opere bajo presiones altas
7 A Que opere a temperaturas elevadas
6 E Que pueda ser portátil
5 F Que sea económica
TABLA 3.2 Ponderación de Requerimientos
20
Los números asignados denotan el grado de importancia de los requerimientos del
cliente, así pues, el 10 denota el requerimiento de mayor importancia, mientras que el 5
denota el de menor importancia.
3.1.4 Estudio Comparativo con Productos Existentes
De acuerdo a las diferentes técnicas de consolidación, existen diferentes máquinas o
sistemas que se utilizan para este fin. A continuación se presentan algunos de los más
destacados
3.1.4.1 Maquina de SPS
La máquina de sinterización asistida por plasma es una opción efectiva para la
consolidación de materiales granulares, sin embargo tiene costo es demasiado alto.
Consiste de un cilindro hidráulico que genera una presión a través de un embolo, el cual
está conectado de tal forma que produce un arco eléctrico elevando la temperatura del
material que se quiere consolidar en cuestión de segundos.
3.1.4.2 Maquina de compactación Dinámica
Esta máquina consolida las muestras mediante el lanzamiento de la pastilla previamente
precompactada hacia una placa colocada para este fin especifico. La maquina como tal
consiste, en un cañon de gran longitud. El costo de este tipo de maquinas, debido a su
tecnología es muy elevado.
3.2 Comparación con máquinas del mercado En la siguiente tabla se mostrara la comparación de los tipos de maquinas compactadoras
existentes disponibles, en ellas se puede apreciar como es que cada una de las opciones
cumple con los requerimientos del cliente en una escala del 1 al 5.
1. No cumple
2. Cumple ligeramente
3. Cumple medianamente
4. Cumple casi totalmente
5. Cumple totalmente
21
Requerimiento
Máquina de
compactación
Estática
Máquina de
SPS
Máquina de
compactación
dinámica
A Que opere a temperaturas elevadas 4 5 1
B Que opere bajo presiones altas 4 4 5
C
Que pueda operar con una atmosfera
interna de gas argón o con vacío 5 5
1
D Que sea de operación segura 5 5 5
E Que pueda ser portátil 1 1 1
F Que sea económica 3 1 1
Σ 22 21 14
Tabla 3.3 Comparación de maquinas compactadoras con requerimientos.
De acuerdo a esta evaluación de las máquinas que existen el mercado y que se utilizan
para consolidar materiales granulares, la máquina de compactación estatica es la que
cumple de mejor forma los requisitos planteados en un inicio, por lo que servirá como una
referencia para basar la propuesta de diseño del presente trabajo.
3.3 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables de ingeniería: En la tabla siguiente podremos observar la traducción de los requerimientos deseables en
términos mesurables que para el ingeniero es lo más útil para poder comenzar a diseñar
Requerimiento Traducción
unidad de
medida
Resistente.
Alto In
Ancho In
Largo In
Exp. Temperaturas minutos
Evitar fallas Factor
22
seguridad
Ligera.
Longitud min. In
Altura min. In
Ancho min. In
No. De piezas Cantidad
Materiales Kg.
Fácil mantenimiento
Costo de
compostura. Dinero
Mantenimiento de Vacio y Refrigeración
Extracción del
Oxigeno Pas
Inyeccion del argon Pas
Caudal mm3/s
Tabla 3.4 Tabla de Términos Mesurables.
3.4 Metas del Diseño Se presentaran las metas del diseño que deberán de cumplir con los requerimientos antes
establecidos ya sea en su totalidad o cubrir la mayoría de los requerimientos.
META
Dimensiones
máximas
Costo no mayor a 6000 pesos
Temperatura Minima de 400ºC y máxima de 800ºC
Presion Mínima de 39 ton/in2 90 Ton/in2
Peso Maxima de 100 kg.
Refrigeración La cámara no debe de subir su temperatura
a mas de 150º c
Atmosfera Vacio de Argon
Calidad de la pieza No debe de tener porosidad la muestra
Tabla 3.5 Metas del diseño
23
3.5 Etapa preliminar del diseño En esta etapa se pretende llegar a una solución, siendo un concepto que satisfaga la
necesidad. Este incluye los sistemas básicos de funcionamiento y/o la forma general del
producto.
3.5.1 Generación de conceptos Debido a que existen varias estrategias para la generación de conceptos e ideas, se
decidió hacer uso de la tormenta de ideas (Brain-Storming) por su facilidad y eficacia. Con
este método se pretende generar la mayor cantidad de ideas para la solución del problema
(como llevar a cabo la función), para después por medio de las técnicas de evaluación de
Ullman y una matriz de decisión, obtener un concepto general del diseño propuesto.
3.5.2 Tormenta de ideas (Brain-Storming)
Propuesta 1
Fabricar una máquina completa basada en un prensa hidráulica con gran capacidad de
presión. Esta prensa deberá tener toda la zona de compactación sellada de tal forma que
hacia el interior de esta se pueda realizar un vacío, así como también se localice un horno
de resistencia.
Propuesta 2
Fabricar solamente una cámara de compactación de dimensiones reducidas que pueda
ser colocada en una prensa hidráulica universal. La cámara deberá contar con sellos de
alta temperatura en cada una de sus conexiones, para permitir que en el interior se
mantenga el vacío generado por una bomba externa y un sistema de refrigeración. El calor
será generado por un horno de resistencia eléctrica, conectado a un termopar para que
sea censada la temperatura. La presión será transmitida hacia el interior mediante un
embolo.
24
Propuesta 3
Fabricar un sistema de dado sellado al vacío, el cual sea colocado en una prensa
universal. Bajo este esquema el horno será colocado alrededor el dado expuesto al medio
ambiente.
3.5.3 Evaluación de conceptos La evaluación de los conceptos se realizara por medio de la técnica de Ullman, la cual
consiste en pasar por los conceptos generados por una serie de filtros e irlos eliminando
de acuerdo a los siguientes criterios:
Factibilidad
Disposición de tecnología
Filtros pasa no pasa
Matriz de decisión
La evaluación de nuestros conceptos se llevara acabo por medio de una serie de tablas,
donde del lado izquierdo aparecerán los conceptos a evaluar y en el lado derecho
aparecerán el criterio de evaluación.
La metodología seguida fue:
1ro se evalúa el concepto de acuerdo a su factibilidad en:
No es factible
Tal vez es factible
Es factible
2do una vez hecho esto, los requerimientos que pasaron la etapa anterior se evalúan en
cuanto a su disponibilidad tecnológica:
Tecnología desarrollada
Tecnología disponible
Tecnología al alcance
Finalmente se evaluara considerando el cumplimiento de los requerimientos del cliente:
25
Si cumple
No cumple
Por último, los conceptos que aprueben la evaluación se reunirán en una lista final para
poder ser evaluados en una matriz de decisión.
La matriz de decisión es la tabla que nos dirá cual de las 3 propuestas es la que mas
cumpla con los requerimientos del cliente y cual es más factible de poder realizar.
3.6 Matriz de decisión
De acuerdo a las evaluaciones anteriores, ahora se calificaran las dos propuestas que pasaron la evaluación anterior para encontrar cual es la mas apropiada para este diseño.
REQUERIMIENTOS Importancia relativa
Propuesta
2
Propuesta
2
Que sea de operación segura 10 10 8
Que pueda operar con una atmosfera interna de gas argón o con vacío
9 10 9
Que opere bajo presiones altas 8 10 10
Que opere a temperaturas elevadas
7 10 10
Que pueda ser portátil 6 9 10
Que sea económica 5 9 10 puntos totales 58 57
puntos de los 3 req mas import 30 27 Promedio 44 42
Tabla 3.7 Matriz de decisión
26
De acuerdo a esta evaluación la propuesta 2 es la que cumple de mejor forma los requerimientos planteados en un inicio, por lo cual se procederá a realizar el diseño a detalle de esta opción. 3.7 Datos generales del diseño conceptual
Para poder generar un diseño de una máquina compactadora que cumpla con los
requerimientos se elaboro el metodo QFD para poder tener una idea de cómo realizar este
diseño y se llego a la conclusión de generar la propuesta 2 que consiste en Fabricar
solamente una cámara de compactación de dimensiones reducidas que pueda ser
colocada en una prensa hidráulica universal. La cámara deberá contar con sellos de alta
temperatura en cada una de sus conexiones, para permitir que en el interior se mantenga
el vacío generado por una bomba externa y un sistema de refrigeración. El calor será
generado por un horno de resistencia eléctrica, conectado a un termopar para que sea
censada la temperatura. La presión será transmitida hacia el interior mediante un embolo.
Para poder cumplir con la propuesta se hará una lista de los elementos con los que
contara la máquina compactadora:
Cámara cilíndrica que cuente con un sistema de refrigeración.
Horno de resistencias eléctricas con unión a un termopar.
Embolo capaz de transmitir presión generada por una prensa
Dado que sea capaz de resistir altas temperaturas, soportar la presión generada por la
prensa y contenga los polvos para las aleaciones.
3.7.1Diseño conceptual de la cámara. La cámara será manufacturada por el método de molde de arena de forma cilíndrica para
que el flujo del sistema de refrigeración sea continuo deberá ser fabricada de un material
que sea resistente a la temperatura y sea fácil de manufacturar
EL material será aluminio que tiene gran resistencia a las temperaturas en comparación
con otros elementos y es fácil para manufacturar sobre todo para poder hacerla por el
molde de arena.
27
Tendrá que estar completamente sellada por la parte inferior y contara con una tapa en la
parte superior con apoyo de un sello de alta temperatura para evitar la fuga de vacio. La
tapa tendrá conexión.
CONEXIÓN PARA EL TERMOPAR
Conexión para inyectar el vacio de argón
Conexión para el voltaje
Figura 3.1Bosquejo de la Camara
3.7.2 Horno con resistencia
Este horno funcionara conectando las resistencias a un regulador de voltaje el cual
calienta las resistencias usara un voltaje aproximado de 70v y este transferirá el calor
hacia el dado y tendrá cerámico para evitar la pérdida de calor dentro del horno hacia los
polvos que se compactaran. Su diámetro exterior será del tamaño del diámetro interior de
la cámara y su diámetro interior será del tamaño del diámetro exterior del émbolo. Un
termopar estará dentro del horno para que pueda ser censada la temperatura que será de
un rango de 100 a 600º
28
3.7.3 Embolo.
El émbolo no requiere de una fabricación especial solo debe de tener la capacidad de
transmitir la carga generada por la prensa hacia los polvos la carga deberá de ser
distribuida uniformemente será de forma cilíndrica para que la distribución de la carga sea
mejor.
El material deberá de ser de aluminio, acero inoxidable o tungsteno pues estará sometido
a temperaturas mayores de 400º c y un esfuerzo de carga. Su diámetro exterior deberá
ser del tamaño del diámetro interior del horno.
FUERZA TRANSMITIDA POR EL ÉMBOLO
FUERZA GENERADA POR LA PRENSA
3.7.4 Dado de Contención de Polvos: Este estará dentro del horno y soportara toda la temperatura que este genere recibirá la
presión que el embolo le someta y estarán contenidos los polvos dentro de este.
Su diámetro exterior será del tamaño del diámetro interior del horno y su diámetro interior
será de la medida del diámetro exterior del émbolo
29
FUERZA GENERADA POR EL EMBOLO
PLOVOS DE AL y Ni
Figura 3.3 bosquejo Dado
3.7.5 Sistema de refrigeración
El sistema de refrigeración estará en la cámara en forma de serpentín con un flujo
continuo para que sea constante el enfriamiento en la cámara y gracias a la forma
cilíndrica de la cámara se puede hacer el serpentín.
El fluido será agua que entrando por una conexión de la tapa superior de la cámara
correrá por todo el sistema y saldrá hacia donde este contenida el agua para que vuelva a
circular por la bomba.
3.8 Funcionamiento de la máquina
La maquina estará montada dentro de una prensa la cual ejercerá presión sobre el émbolo
aproximada de 30 ton/in2 y este transmitirá una carga distribuida uniformemente
aplastando el dado el cual contiene los polvos, estarán calentándose por un horno
eléctrico que elevara la temperatura dentro del dado aproximadamente hasta 600º C.
Todo esto sucederá dentro de la cámara que se estará enfriando por su sistema de
refrigeración y mantendrá un vacio de argón que es generada por un sistema de inyección
de vacío.
30
Figura 3.4 Diseño de sistema en conjunto.
Figura 3.5 Máquina montada dentro de una prensa para generar la presión
31
DISEÑO A DETALLE
32
4.1 Diseño a detalle
En esta etapa se presentan todas las especificaciones, cálculos y características de cada
uno de los componentes de la cámara de compactación. En el anexo A se muestra los
planos de ingeniería del ensamble y de cada uno de los componentes.
4.1.1 Diseño del cuerpo principal
De acuerdo a los requerimientos obligatorios, existen restricciones en cuanto al
dimensionamiento del cuerpo principal, las cuales son impuestas por el horno tanto en el
diámetro externo de 160 mm y como en la altura de 150 mm. De forma indirecta el claro
máximo de la prensa donde se aplique la cámara también restringe la altura.
Considerando un claro máximo de una prensa promedio, el valor de esta restricción es de
450 mm.
Entonces de acuerdo a estas restricciones, las dimensiones generales del cuerpo principal
se fijaran en:
Diámetro interno= 165 mm
Altura= 200 mm
Para definir el diámetro exterior es necesario antes definir el diámetro del serpentín. El
valor del diámetro esta en función de la cantidad de calor que necesita extraer este circuito
de enfriamiento para mantener la temperatura de los componentes (primordialmente el
cuerpo principal) en un límite permisible. Para esto es necesario analizar las condiciones
de transferencia de calor del sistema, en la figura 4.1 se muestra un esquema de las
condiciones de operación del sistema.
Como se puede observar la trasferencia de calor del horno hacia los componentes de la
cámara se efectúa a través de los mecanismos de radiación y conducción. Estos
33
34
componentes a su vez disipan el calor mediante convección forzada a lo largo del
serpentín de enfriamiento. Esta transferencia de calor pone a los componentes en la
condición de flujo de calor constante, entonces a partir de la ley de enfriamiento de
Newton para convección[3.7] calculamos la temperatura superficial del serpentín a la salida:
" (4.1)
Donde q” es el flujo de calor, h es el coeficiente de trasferencia de calor por convección y
TMo la temperatura del refrigerante a la salida del mismo serpentín. Para encontrar h
haremos la consideración de condiciones completamente desarrolladas y utilizaremos la
ecuación del coeficiente de Nusselt:
4.36 (4.2)
Figura 4.1 Esquema de operación del sistema de compactación
Horno (800°
Dado compactación (800° C) Serpentín
Dos capas de aislante
Donde D es el diámetro del serpentín y k es la conductividad térmica del refrigerante.
Para obtener el valor de k es necesario tener la temperatura media del líquido, lo cual
hace necesario el cálculo previo de TMo, entonces suponiendo balance de energía
tenemos que:
" (4.3)
Donde L es la longitud total del serpentín, es el flujo másico del refrigerante, Cp es el
calor específico del refrigerante y TMi es la temperatura del refrigerante a la entrada. El
modelo para el flujo másico es:
(4.4)
Donde ρ es la densidad del fluido, um es la velocidad media del fluido y Ac es el área
transversal del serpentín. Entonces sustituyendo todas las ecuaciones en la número 4.1 y
simplificando tenemos que:
".
" (4.5)
Entonces, analizando este modelo matemático se puede observar que las únicas variables
que intervienen directamente con el desempeño del serpentín son el diámetro D, la
longitud L, la temperatura del refrigerante a la entrada TMi y la velocidad media del mismo.
Los demás términos son constantes e independientes de las dimensiones y el desempeño
del circuito de enfriamiento.
De acuerdo a este modelo, lo interesante sería calcular la temperatura exacta de los
componentes en la condición crítica, para lo cual es necesario el cálculo del flujo de calor
desde el horno, sin embargo esto representa una tarea laboriosa que alejaría al presente
proyecto de su objetivo. Por esta razón y con el fin de agilizar el proceso de diseño, se
procederá a definir el diámetro del serpentín en función del método de manufactura
35
quedando bajo la condición de que una vez fabricado el componente, el desempeño del
serpentín se regulara mediante las otras dos variables: la temperatura del refrigerante a la
entrada y el flujo másico.
Desde el punto de vista de la manufactura, la fabricación de todas las piezas será
mediante maquinados convencionales. En lo que se refiere al cuerpo principal la mejor
alternativa corresponde a fabricar el componente en tres piezas las cuales serán unidas
mediante un proceso final de soldadura, como se muestra en la figura 3.10. Esto significa
que la fabricación de la pieza que tiene los conductos del serpentín se realizara mediante
un barrenado desde la cara superior hacia el otro extremo. Para esto se requiere el uso de
una broca de longitud especial, las cuales en sus medidas comerciales, para una
profundidad efectiva de 200 mm, comienzan a partir de un diámetro de ½” o superior.
En función de lo anterior:
Diámetro del serpentín= 12.7 mm
Diámetro Exterior del cuerpo principal= 240 mm
Con respecto al mecanismo de sellado, este será mediante un sello de silicón (o’ring). De
acuerdo a esto, la parte superior del cuerpo deberá diseñarse con una ranura para la
colocación del sello. El perfil de esta ranura deberá ser dimensionado considerando la
deformación del sello en la posición límite donde los dos componentes se encuentren en
contacto. El objetivo es lograr este contacto para favorecer la transferencia de calor por
conducción entre los dos componentes.
Diámetro sello= 3/16” = 3.175 mm
Área sección transversal= 7.917 mm2
Factor de compresión= 0.85
De acuerdo al factor de compresión, el área de la sección transversal de la ranura debe
ser:
36
0.85 6.729
Entonces considerando la sección transversal del sello y la reducción de área proyectada,
el perfil de la ranura se definirá como se muestra en la figura 4.2.
Ranura para sello
Figura 4.2 Perfil de la ranura para el sello de la tapa.
En lo referente a la conexión para los cables de alimentación de energía eléctrica, esta
corresponde a una pieza estandarizada. Para su instalación será necesario que el cuerpo
principal cuente con un barreno roscado 1- 8UNC 2B. Para las demás conexiones, tanto
del serpentín como del sistema de vacío será necesario realizar barrenos roscados con
cuerda 3/8-18NPT. Con respecto al medio de fijación entre el cuerpo principal y las tapas
superior e inferior, este será mediante tornillos. Para ello será necesario que el cuerpo
principal cuente con barrenos roscados M5 en ambas cara superior e inferior.
Con esta información se ha definido completamente el diseño final del cuerpo principal, ver
figura 4.3.
37
Figura 4.3 Modelo final del cuerpo principal.
4.1.2 Diseño de la tapa inferior
De acuerdo al diseño conceptual, la tapa inferior consiste de una placa redonda. El
diámetro es igual al diámetro exterior del cuerpo principal. Durante el proceso de
compactación, esta tapa es sometida directamente a la fuerza de compresión la cual tiene
un valor máximo de 40 ton. Aunque la magnitud de esta fuerza es grande, la geometría de
la pieza permite despreciar una posible falla a consecuencia de esta situación. Sin
embargo algo que se debe tener en consideración es una posible deformación. Por esta
razón el material seleccionado para el componente será un acero 1020.
El medio de fijación con el cuerpo principal es a través de tornillos, los cuales serán de
cabeza plana ya que es necesario que no sobresalgan de la superficie para permitir un
buen asentamiento sobre la prensa. Los tornillos que utilizaran son M5 x 16, por lo tanto la
tapa deberá contar con barrenos de 6 mm que permitan la sujeción de la pieza.
38
Figura 4.4 Modelo final de la tapa inferior.
4.1.3 Diseño de la tapa superior
La tapa superior durante el proceso no es sometida a ninguna condición de esfuerzo, por
lo cual la principal labor de diseño en cuanto a este componente se encuentra en el
serpentín interno y el mecanismo de sellado con el embolo. La geometría general de la
tapa consiste de una placa plana con guía longitudinal para el embolo y serpentín interno a
lo largo de esta guía, ver figura 4.5
Figura 4.5 Modelo final de la tapa superior.
Las dimensiones generales de esta pieza vienen dictadas por el diámetro exterior del
cuerpo principal así como el diámetro del embolo. En lo que se refiere al serpentín interno,
al igual que en el cuerpo principal, el diseño va enfocado a la manufactura.
39
40
En lo que se refiere al mecanismo de sellado, el diseño consiste en una tuerca que
presiona a un juego de rondanas, las cuales a su vez comprimen a unos sellos que se
deforman y ejercen dicha presión sobre las paredes cilíndricas que los contienen. Esto
permite tener un sellado eficiente a lo largo de la carrera del embolo. Ver figura 4.6.
Figura 4.6 Mecanismo de sellado entre la tapa superior y el embolo.
4.1.4 Diseño del émbolo
El émbolo consiste de una barra solida mediante la cual se aplica la presión sobre el dado
de compactación. Los parámetros a determinar de este componente son el diámetro y el
material a elegir, los cuales dependen del valor máximo de la fuerza aplicada.
Fmáx= 40 000 kgf = 392.3 kN
Por lo tanto si consideramos un diámetro de 2” (por ser una medida comercial), el valor del
esfuerzo de compresión al que sería sometido el componente es de:
Embolo
Tuerca Rondan
Sellos
Dirección el desplazamiento d
b lDirección fuerza compresión del Dirección expansión de los sellos
Considerando las propiedades del acero 1020 rolado en frio como del material
seleccionado para el componente, este tiene un esfuerzo de cedencia de 393 MPa . Por lo
tanto:
393 193.553 2.030
Donde N es el factor de seguridad. Considerando la función del émbolo como elemento
sometido a esfuerzo de compresión y a un gradiente de temperatura, el valor calculado del
factor de seguridad es aceptable para esta condición estática. Es importante mencionar
que aunque el émbolo funciona como una columna, por las dimensiones definidas su
clasificación corresponde a la de columnas cortas, lo que permite despreciar cualquier falla
por pandeo.
4.2 Manufactura de la Cámara 4.2.1 Especificaciones de la materia prima
De acuerdo con las especificaciones definidas en el capitulo anterior, en tabla 4.1 se
muestra una lista con toda la información necesaria sobre la materia prima requerida para
la fabricación de los componentes no estandarizados de la cámara de compactación.
Cantidad Componente Material Cantidades y dimensiones del material requerido
1 Cuerpo
principal Aluminio 413 2 Lingotes para fundición
1 Tapa
superior
Aluminio 413 Placa redonda de 245 mm x
½” de espesor
Aluminio 413 Barra redonda de 4” x 95 mm
41
Aluminio 413 Placa redonda de 4”x ¼ “ de
espesor
1 Tapa inferior Acero AISI
1020
Placa redonda de 245 mm x
3/4” de espesor
1 Embolo Acero AISI
1020
Barra redonda de 2” x 8” largo,
con acabado espejo
2 Rondana
especial
Acero AISI
1020
Barra redonda de 2 ½ “ x 1” de
largo
1 Tuerca
especial
Acero AISI
1020
Barra redonda de 3 ½” x 1”
de largo
Tabla 4.1 Lista de materia prima necesaria para la fabricación de los componentes.
4.2.2 Especificaciones de las partes estandarizadas
Además de los componentes fabricados, en el ensamble final de la cámara se requiere de
piezas estandarizadas como sujetadores de rosca, sellos, etcétera, las cuales se pueden
adquirir fácilmente dentro del mercado de refacciones. En la tabla 4.2 se muestra la lista
de todas aquellas piezas estandarizadas que se requieren para el ensamble final de la
cámara.
Componente Especificaciones Cantidad
Tornillo Cabeza plana M5 x16 11
Tornillo Cabeza hueca hexagonal M5 x 16 11
Sello O’ring 2” y espesor de 1/8” 2
Sello 0’ring 7 ½ “ y espesor de 3/16 “ 2
Conexión 3/8 “ – 18 NPT 6
Conexión ¾ Fabricación especial para hornos 1
Tabla 4.2 Lista de piezas estandarizadas.
42
4.2.3 Proceso de fabricación
De acuerdo con el proceso de fabricación, en la figura 4.7 se muestra un diagrama de
operaciones del proceso general. Este diagrama muestra la secuencia cronológica de las
operaciones primarias desde la llegada de la materia prima hasta el ensamble final de la
cámara. Señala la entrada de todos los componentes al ensamble con el cuerpo principal.
43
Fundición
Soldadura
Maquinado
Maquinado
11‐ a plana M5x16
Tornillo cabez
1‐O’ring 7 ½”
1‐O’ring 7 ½
11‐ Tornillo cabeza hueca hexagonal M5x16
”
Soldadura
Maquinado
Cuerpo Principal Plano: CP‐00
Tapa Inferior Plano: TI‐01
Tapa Superior Plano: TS‐00
Maquinado
1‐O’ring 2”
Maquinado
Maquinado
Maquinado
1‐O’ring 2”
Rondana Especial Plano: R 01
Émbolo Plano: R‐01
Tuerca Especial Plano: TU‐01
Figura 4.7 Diagrama de proceso general de fabricación y ensamble de la cámara de
compactación.
4.2.4 Fabricación del cuerpo principal
En lo que se refiere al proceso de fabricación del cuerpo principal de la cámara, es
necesario primeramente la manufactura de tres piezas: un cilindro principal y 2 tapas. En
las tablas 4.3 y 4.4 se muestran respectivamente, las hojas de proceso de estos
componentes.
44
Proyecto: Cámara de
compactación
Pieza: Cilindro Cuerpo
principal
Material: Aluminio 413
Plano: CP-01
Fecha: Marzo 2009
Elaborado
por: A.Fuentes
No
.
Operaci
ón Ilustración
Útiles /
maquin
aria
Herramienta
Observaci
ones
de
corte
de
contr
ol
1 Fundició
n
Horno
para
fundir
aluminio
Flexo
-
metro
Mediante
fundición
se fabrica
el cilindro
perforado
base.
2
Rectific
ado
cilíndric
o
Torno Buril
C.
Verni
er
Se obtiene
un cilindro
con las
dimension
es de los
diámetros
finales.
45
3
Corte
de
tapas
Torno Seguet
a
Flexo
-
metro
Se cortan
dos
rondanas
(plano CP-
02) que
servirán
posteriorm
en-te
como
tapas.
4 Rectific
ado
Torno Buril
Se
rectifica la
cara del
corte
5 Biselad
o
Torno Buril
Se hacen
bisel de
soldadura
sobre las
caras
superior e
inferior.
6 Barrena
do
Taladro
de
banco
Broca
Se realiza
la
perforació
n de la
pieza de
un
extremo a
otro.
46
7 Fresado
Fresado
ra
vertical
Cortad
or,
cabeza
l
rotatori
o
Se realiza
un fresado
para
comunicar
alternada
mente los
barrenos
del
serpentín.
8 Fresado
Fresado
ra
vertical
Cortad
or
Se crea
una
superficie
plana
sobre la
cual se
posicionar
an las
conexione
s hacia el
interior.
9 Barrena
do
Taladro
de
columna
Juego
de
brocas
Se hacen
las
correspon
dientes
perforacio
nes para
las
conexione
s del
líquido
refrigerant
e y el
47
sistema de
vacío.
10 Roscad
o
Machu
elo
3/8” 18
NPT
Se hace
cuerdas a
los
barrenos
anteriores.
Tabla 4.3 Hoja de proceso del cilindro del cuerpo principal
Proyecto: Cámara de
compactación
Pieza: Tapa Cuerpo
principal
Material: Aluminio 413
Plano: CP-02
Fecha: Marzo 2009
Elaborado
por: A.Fuentes
No
.
Operaci
ón Ilustración
Útiles /
maquin
aria
Herramienta
Observaci
ones
de
corte
de
contr
ol
1 Rectific
ado
Torno Buril
Se
rectifican
las
rondanas
previamen
te
cortadas.
48
2 Tornead
o Torno Buril
Se hacen
las
ranuras
donde se
alojaran
los sellos.
3 Biselad
o
Torno Buril
Se realiza
un bisel de
soldadura
sobre una
de la
caras de
las tapas.
4 Barrena
do
Taladro
columna
Juego
de
brocas
Se
realizan
11
barrenos
no
pasados
sobre las
tapas
5 Roscad
o
Machu
elo
Se realiza
rosca M5
a los
anteriores
barrenos
Tabla 4.4 Hoja de proceso de la tapa del cuerpo principal
Una vez fabricadas las partes necesarias, el siguiente paso consiste en la unión mediante
soldadura de los componentes. Esto se ilustra en el diagrama de proceso de la figura 4.8
49
50
En la figura 4.9 se muestra una imagen final del cuerpo principal de la cámara después del
proceso de manufactura.
Figura 4.8 Diagrama de proceso del cuerpo principal de la cámara de compactación.
Maquinado Maquinado Maquinado
Soldadura
Rectificado/Acabado sobre cordones soldadura
Fin de proceso
Cilindro cuerpo principal
Tapa cuerpo principal
Tapa cuerpo principal
Soldadura
Figura 4.9 Fotografía final del cuerpo principal de la cámara de compactación.
4.2.5 Fabricación de la tapa inferior
En lo que respecta al proceso detallado sobre la fabricación de la tapa inferior, en la tabla
4.5 se muestra la hoja de proceso de este componente. En la figura 4.10 se muestra una
fotografía de la tapa inferior después del proceso completo de manufactura.
Proyecto: Cámara de
compactación
Pieza: Tapa inferior
Material: Acero AISI 1020
Plano: TI-01
Fecha: Marzo 2009
Elaborado
por: A. Fuentes
51
No
.
Operaci
ón Ilustración
Útiles /
maquin
aria
Herramienta
Observaci
ones
de
corte
de
contr
ol
1 Rectific
ado
Rectific
adora
de
superfici
es
planas
Se
rectifican
las
superficies
para
eliminar
defectos
superficial
es y
geométric
os
2 Barrena
do
Taladro
de
columna
Juego
de
brocas
Se
realizan
los 11
barrenos
de 6 mm.
3 Avellan
ado
Taladro
de
brocas
Broca-
avellan
ador
Se
avellanan
los
barrenos
previos a
una
profundida
d de 4
mm.
52
4 Rectific
ado
Torno Buril
Mediante
la ayuda
de una
herramient
a especial
(ver plano
H01
Anexo) se
rectifica el
contorno
cilíndrico.
Tabla 4.5 Hoja de proceso de la tapa inferior.
Figura 4.10 Fotografía final de la tapa inferior de la cámara de compactación.
53
4.2.6 Fabricación de la tapa superior
Por su parte, para el proceso de fabricación de la tapa superior es necesaria la
manufactura previa de sus tres componentes. En las tablas4.6, 4.7 y 4.8 se muestran las
hojas de proceso de estas piezas.
Proyecto: Cámara de
compactación
Pieza: Pieza 1 tapa
superior
Material: Aluminio 413
Plano: TS-01
Fecha: Marzo 2009
Elaborado
por: A. Fuentes
No
.
Operaci
ón Ilustración
Útiles /
maquin
aria
Herramienta
Observaci
ones
de
corte
de
contr
ol
1 Rectific
ado
Rectific
adora
de
superfici
es
planas
Se
rectifican
las
superficies
para
eliminar
defectos
superficial
es y
geométric
os
54
2 Barrena
do
Torno
Juego
de
brocas
Se realiza
un agujero
al centro
de la
pieza.
3 Tornead
o
Torno Buril
Se realiza
una
operación
de
desbaste
interior
para abrir
el barreno
previo a
un
diámetro
de 60 mm.
4 Rectific
ado
Torno Buril
Se monta
la pieza
del
agujero
central y
se rectifica
el
contorno
exterior.
5 Rectific
ado
Torno Buril
Se realiza
un
pequeño
desbaste
de 1 mm.
55
6 Barrena
do
Taladro
de
columna
Juego
de
brocas
Se
realizan
los 11
barrenos
de 6 mm.
7 Barrena
do
Taladro
de
columna
Juego
de
brocas
Se realiza
el barreno
de 37/64
NPT.
8 Roscad
o
Tornillo
de
banco
Machu
elo
Se realiza
la cuerda
3/8-
18NPT
Tabla 4.6 Hoja de proceso de la pieza 1 de la tapa superior.
Proyecto: Cámara de
compactación
Pieza: Pieza 2 tapa
superior
Material: Aluminio 413
Plano: TS-02
Fecha: Marzo 2009
Elaborado
por: A.Fuentes
No
.
Operaci
ón Ilustración
Útiles /
maquin
aria
Herramienta
Observaci
ones
de
corte
de
contr
ol
56
1 Barrena
do
Torno
Juego
de
brocas
Se realiza
un barreno
pasado de
25 mm a
lo largo de
la barra
2 Tornead
o
Torno
Barra
de
interior
es
Se realiza
un
desbaste
interno
para abrir
el agujero
a 50.8
mm.
3 Tornead
o
Torno
Barra
de
interior
es
Se realiza
una
operación
de
desbaste
interior
para abrir
el barreno
previo a
un
diámetro
de 60 mm
a una
profundida
d de 45
mm.
57
4 Tornead
o
Torno Buril
Se
desbasta
el exterior
a un
diámetro
de 66 mm
a una
profundida
d de 21
mm.
5 Tornead
o
Torno Buril
Se voltea
la pieza y
se
desbasta
el exterior
a un
diámetro
de 60 mm
y una
profundida
d de 11
mm.
6 Barrena
do
Taladro
de
columna
Juego
de
brocas
Se
realizan
los 11
barrenos
de ½”.
7 Fresado
Fresado
ra
vertical
Cortad
or de
7/16”
Se realiza
el
desbaste
para la
conexión
58
de los
barrenos.
8 Barrena
do
Taladro
de
columna
Juego
de
brocas
Se
realizan
dos
barrenos
de 37/64
NPT.
10 Roscad
o
Tornillo
de
banco
Machu
elo
3/8-
18NPT
Se realiza
la cuerda
a los
barrenos
previos
11 Roscad
o
Torno Buril
Se realiza
una rosca
M66 en el
extremo
superior.
Tabla 4.7 Hoja de proceso de la pieza 2 de la tapa superior.
Proyecto: Cámara de
compactación
Pieza: Pieza 2 tapa
superior
Material: Aluminio 413
Plano: TS-03
Fecha: Marzo 2009
Elaborado
por: A.Fuentes
59
No
.
Operaci
ón Ilustración
Útiles /
maquin
aria
Herramienta
Observaci
ones
de
corte
de
contr
ol
1 Rectific
ado
Rectific
adora
de
superfici
es
planas
Se
rectifican
las
superficies
para
eliminar
defectos
superficial
es y
geométric
os
2 Barrena
do
Torno
Juego
de
brocas
Se realiza
un agujero
al centro
de la
pieza.
3 Tornead
o
Torno Buril
Se realiza
una
operación
de
desbaste
interior
para abrir
el barreno
previo a
un
diámetro
de 66 mm.
60
4 Rectific
ado
Torno o Buril Buril
Se monta
la pieza
del
agujero
central y
se rectifica
el
contorno
exterior.
Se monta
la pieza
del
agujero
central y
se rectifica
el
contorno
exterior.
Tabla 4.8 Hoja de proceso de la pieza 3 de la tapa superior.
Una vez fabricadas las partes necesarias, el siguiente paso consiste en la unión mediante
soldadura de los componentes. Esto se ilustra en el diagrama de proceso de la figura 4.11.
En la imagen 4.12 se muestra una fotografía de la apariencia final de la tapa superior
después del proceso de manufactura.
Maquinado
Figura 4.11 Diagrama de proceso de la tapa superior de la cámara de compactación.
Maquinado Maquinado
Soldadura
Rectificado/Acabado sobre cordones soldadura
Fin de proceso
Pieza 1 Pieza 2Pieza 3
Soldadura
61
Figura 4.12 Fotografía de la tapa superior fabricada.
4.3 Integración del sistema de compactación
Como se menciono en el capítulo 2, el sistema de compactación completo se integra por
diferentes componentes y subsistemas como son: la cámara de compactación, el horno, el
sistema de vacío, la prensa hidráulica y el sistema de enfriamiento. Por lo anterior una vez
desarrollada la cámara, se procedió a la integración total de estos componentes como se
ilustra en las figuras 4.13, 4.14, 4.15.
Figura 4.13 Integración del horno a la cámara de compactación.
62
Figura 4.14 Montaje de la cámara sobre la prensa hidráulica.
Figura 4.15 Montaje final de la cámara con las conexiones de los demás sistemas.
63
4.4 Costo de la cámara
El costo de producción es una cantidad que depende en gran medida de las condiciones
del proceso, como son el número de piezas a producir, tecnología de las maquinas
utilizadas, herramentales desarrollados para el proceso, etcétera. Por esta razón, en el
presente trabajo se hace una estimación del costo total de cámara considerando la
manufactura de un solo prototipo. Ver tabla 4.9.
Concepto Cantidad Costo (M.N.)
Por unidad Total
Aluminio para Cuerpo principal Fundición 15
kg
$200/kg $3000
Placa de acero 1020 de ½”x10x10 para
tapa inferior
3 kg $50/kg $150
Placa de acero 1020 de ½”x10x10 para
tapa superior
3 kg $50/kg $150
Redondo de 4” de acero 1020 para tapa
superior
5 kg $50/kg $250
Placa de acero 1020 de 1/4”x 4”x4” para
tapa superior
0.5 kg $50/kg $25
Barra de acero 1020 de 2”x8” para el
embolo
3 kg $50/kg $150
Redondo de acero 1020 de 3”x 2 para el
embolo
1 kg $50/kg $50
Tornillería ----- ---- $250
Conexiones para agua 5 $26/pz $130
Conexión especial para horno 1 ---- $1000
Sellos de silicón 8” 2 $130 $260
Sellos de silicón 2” 3 $15 $45
64
Electrodos para soldadura de Aluminio 3 kg $160/kg $480
Electrodos para soldadura acero 1Kg $45/kg $45
Horas hombre-taller 60 h $200/h $12000
Total $17895
Tabla 4.9 Costo desglosado de la cámara de compactación.
De acuerdo a la estimación presentada en la tabla 4.9 el costo total de producción de la
cámara de compactación asciende a $18 000.00 M.N. Esta estimación considera que la
mano de obra corresponde a la de un herramentista experimentado bajo el soporte de un
taller convencional de máquinas-herramienta. Por lo tanto, en función de la cantidad
estimada en comparación con el costo de las maquinas disponibles en el mercado (mayor
a un millón de pesos), la cámara de compactación representa una alternativa económica a
estos equipos costosos, aun y cuando fuese necesario adquirir todos los sistemas
adicionales que complementan el equipo requerido para el proceso de consolidación de
polvos por compactación en caliente.
65
PRUEBAS Y APLICACIONES
En este capítulo se describen las
diferentes pruebas realizadas
con la cámara al sinterizar polvo
de cobre, variando temperatura,
tiempo y control de atmosfera.
66
5.1 Consolidación de Cobre 5.1.1 Microestructura de las muestras consolidadas
5.1.1.1 Microscopía Óptica
En la figura 5.1 y 5.2 se muestran las imágenes de MO obtenidas de los polvos de cobre.
La compactación uniaxial fue realizada aplicando 500 MPa de presión, durante tiempos de
3, 5 y 7 horas a temperaturas de 400 y 600 °C respectivamente, enfriando las muestras
dentro de la cámara protegidas bajo una atmósfera de Argón. Se observa diferencias en el
tamaño de grano obtenido, así como, un alargamiento preferencial de los granos respecto
a la aplicación de la carga.
Figura 5.1 Micrografías de las muestras sinterizadas a 600 °C, aplicando una carga de 500
MPa por tiempos de (a) 3, (b) 5 y (c) 7 horas.
La figura 5.1 muestra la sección transversal de las pastillas sinterizadas. Se puede
observar que en los tiempos más largos el número de poros disminuye, los granos
formados son más homogéneos y mejor definidos.
Figura 5.2 Micrografías de las muestras sinterizadas a 400° C, aplicando una carga de 500
MPa por tiempos de (a) 3, (b) 5 y (c) 7 horas.
67
5.1.2 Microdureza
Los valores de microdureza Vickers obtenidos en las muestras consolidadas a 400 °C y
600° C por diferentes tiempos y una presión de carga de 500 MPa, se muestran en la
tabla 5.1.
Para validar los resultados obtenidos, se realizó una comparación con las durezas
obtenidas por Srivatsan y colaboradores. Ellos consolidaron polvos de cobre mediante la
técnica de sinterización por plasma (SPS, por sus siglas en ingles). Los resultados que
ellos obtuvieron se muestran en la tabla 5.2.
Temperatura (°C) Tiempo (h)
Microdureza
Vickers promedio
(VHN)
600
3 78.8
5 72.7
7 80.0
400
3 111.6
5 102.0
7 114.2
Tabla 5.1 Valores de dureza de las muestras consolidadas.
68
Tamaño de
partícula
Temperatura
(°C)
Presión
(MPa)
Tiempo
(min)
Microdureza
Vickers
promedio
(VHN)
100 nm 880 40 3 191.44
13 µm 900 40 5 52.95
Tabla 5.2 Valores de dureza obtenidos por Srivatsan y colaboradores.
Figura 5.3 Comportamiento de la dureza de las muestras consolidadas en función de la
temperatura y tiempo del proceso.
La microdureza en las muestras sinterizadas a 400°C es mayor con respecto a la de
600°C. El aumento en la microdureza al disminuir la temperatura de sinterización podría
69
estar relacionado con los cambios en la microestructura de las muestras observadas en
las figuras 5.1 y 5.2. Siendo la máxima dureza alcanzada en la condición de 400°C a 7h.
Es importante señalar que la dureza del cobre puro obtenido por técnicas convencionales
esta en un rango de 50-90 HV dependiendo de las condiciones de su procesamiento, lo
cual hace evidente que es factible incrementar las propiedades mediante polvos
compactados con la cámara desarrollada en el presente trabajo.
5.1.3 Tamaño de grano
La medición del tamaño de grano se determinó a partir de las micrografías tomadas en
MO a 100 X. En las imágenes se delimito el límite de grano y se realizo un ajuste de la
retícula auxiliándonos del software Sigma Scan Pro.
A partir de estas mediciones se obtuvo un radio, mediante el cual se determino el tamaño
promedio de los granos. En la tabla 5.3 se presentan los valores obtenidos.
Temperatura (°C) Tiempo (h)Tamaño de grano
promedio (µm)
600
3 5.80
5 6.95
7 6.11
400
3 5.24
5 6.59
7 6.34
Tabla 5.3 Determinación del tamaño de grano en las muestras a 600° C y 400°C
por diferentes tiempos.
La figura numero 5.4 muestra el cambio en el tamaño de grano para las diferentes
condiciones de consolidación. A partir de dicha figura, se puede observar que al aumentar
el tiempo de sinterizado, se presenta un máximo en el tamaño de grano, el cual disminuye
70
al seguir incrementando el tiempo. El tamaño de grano mayor lo presenta la muestra de
600°C por 5 h, siendo a su vez la que presenta menor dureza.
En cuanto a la comparación de resultados con el trabajo realizado por Srivatsan y
colaboradores, ellos obtuvieron un tamaño de grano promedio de 2 µm en la muestra
consolidada de polvos con tamaño de partícula de 100 nm, bajo las condiciones de
temperatura de 880°C, 40 MPa de presión durante un tiempo de 3 minutos. Para su
muestra de polvos con tamaño de partícula de 13 µm, no proporcionan un tamaño de
grano promedio sin embargo se puede observar en sus fotomicrografías que el tamaño de
grano en esta prueba es superior a 10 µm.
5.00
5.50
6.00
6.50
7.00
2 3 4 5 6 7 8Tamañ
o de
grano
promed
io (µ
m)
Tiempo (hr)
400° C ‐ 150 kgf/cm2 600° C ‐ 150 kgf/cm2
Figura 5.4 Tamaño de grano de las muestras sinterizadas a 500 MPa, 400°C y 600°C por
diferentes tiempos.
5.1.4 Densidad
Las condiciones del proceso y los valores de densidad obtenidos en las muestras
sinterizadas se muestran en la tabla 5.4. En la tabla 5.5 se muestran los resultados
obtenidos por Srivatsan y colaboradores [5.1] en sus pruebas de consolidación.
71
Temperatura (°C) Tiempo (h) Densidad % Densificación
600
3 8.11 91.2
5 8.20 92.2
7 8.63 97.0
400
3 8.00 90.0
5 8.14 91.6
7 8.50 95.6
Tabla 5.4 Densidad de las muestras consolidadas.
Tamaño de partícula Temperatura (°C) Presión (MPa) Tiempo (min) % Densificación
100 nm 880 40 3 99
13 µm 900 40 5 95
Tabla 5.5 Valores de densificación obtenidos por Srivatsan y colaboradores.[5.1]
De los resultados de la tabla 5.4 se puede ver que los más altos porcentajes de
densificación se obtienen en los tiempos de sinterizado mayor. A temperaturas de 600°C
el incremento en la densidad con respecto al tiempo de sinterizado es más notable,
presentando la mejor densificación de la muestra.
La variación de la densificación con respecto al tiempo y la temperatura se muestra
gráficamente en la figura 5.5. En esta imagen se puede observar un comportamiento
típico de los materiales, en el cual el aumento en el tiempo de sinterización produce un
aumento notable en la densidad, además que un aumento adicional de la temperatura de
sinterizado produce incrementos moderados en la densidad.
72
88.0
90.0
92.0
94.0
96.0
98.0
2 3 4 5 6 7 8Porcen
taje de de
nsificación
(%)
Tiempo (hr)
400° C ‐ 150 kgf/cm2 600° C ‐ 150 kgf/cm2
Figura 5.5 Variación de la densidad en función del tiempo de sinterizado a temperaturas
de 400°C y 600°C bajo presión de 500 MPa.
73
CONCLUSIONES Una vez realizado el diseño y fabricación de una cámara para consolidación de polvos por
compactación en caliente, se llegó a las siguientes conclusiones:
1. El desempeño de la maquina es correcto en concordancia con las metas y
requerimientos planteados al inicio del presente trabajo; permitiendo realizar un
proceso de compactación isostática en caliente, controlando las variables del
proceso:
• Atmósfera inerte por ejemplo Argón o mantener un vació.
• Temperaturas en un intervalo de 100 a 800 º C, permitiendo controlar velocidad de
calentamiento y velocidad de enfriamiento.
• Cargas de compactación de 5 a 40 toneladas fuerza.
• Mantener las condiciones del proceso durante tiempos indefinidos.
2. De acuerdo a las pruebas realizadas, se demostró que es posible consolidar
metales en polvo como el Cobre puro utilizando la cámara desarrollada en el
presente trabajo.
3. Al realizar la consolidación de polvos de Cu en la cámara fabricada, los mejores
resultados de la consolidación se obtuvieron para la condición de 500 MPa de
presión, a 400 °C durante un tiempo de 7 horas, presentando una densificación de
95.6 %, una dureza de 114.2 HV, un tamaño de grano de 6.34 micras y una
cristalización más homogénea.
74
REFERENCIAS 1. K. Wieczorek-Ciurowa and Gamrat. NiAl/Ni3Al-Al2O3 composite formation by
reactive ball milling. J. Therm. Anal. Cal. Vol. 82 (2005) 719-724.
2. R.A. Varin, Structural and Functional Intermetallics- an Overview, Conf. FM´2000,
19 Oct. Warsaw, Abstracts p.1.
3. C.T. Liu, D.P. Pope, Ni3Al and its Alloys, in: J.H. Westbrook, R.L. Fleischer (Eds.),
Intermetallic Compounds, vol 2, Wiley, New York, pp. 17-47. Año 2000.
4. C. Suryanarayana, Prog. Materials Science Vol. 46. Año 2001
5. M.H. Enayati, et.al. The effect of milling parameters on the synthesis of Ni3Al
intermetallic compound by mechanical alloying, Materials Science and Engineering,
A pp. 809-811. Año 2004.
6. C.C. Koch, Materials Síntesis by Mechanical Alloying, Annu. Rev. Mater, Sci., vol.
19, pp.121-143. Año 1989
7. P.S. Gilman y J.S Benjamín, Mechanical Alloying, Annu. Rev. Mater. Sci., vol. 19,
pp. 279-300. Año 1983.
8. ASM Handbook, Vol 7. Powder Metal Technologies and Applications, 1998. ASM
Handbook Committee.
9. Manning, Antonio. Aleado Mecánico. www.monografias.com/trabajos11/alme/alme
10. Srivatsan, T.S., Ravi, BG., Naruka, A.S., Riester, L., Yoo, S., Sudarshan, T.S.
(2001) A study of microstructure and hardness of bulk copper sample obtained by
consolidating nanocrystalline powders using plasma pressure compaction. Materials
Science Engineering. pp. 22-27.
11. A.K. Bhattachaya y E Arzt, Diffusive Reaction During Mechanical Alloying of
Intermetalics, Scripta Metall. Mater., vol.27, pp. 635-639. Año 1992.
12. C.Y. Chung; M. Zhub; C.H. Mana, Effect of mechanical alloying on the solid state
reaction processing of Ni-36.5at%Al alloy. Año 2002.
13. Stoloff NS, Sikka VK. Physical metallurgy and processing of intermetallic
compounds. London: Chapman & Hall; 1996. p. 217.
14. P. Adeva, Materiales alternativos de las superaleaciones: compuestos
intermetálicos, Revista de la Asociación Española de Científicos Nº 1, Año 1999.
75
76
15. K.Wieczorek-Ciurowa and K.Gamrat. NiAl/Ni3Al-Al2O3 Composite formation by
reactive ball milling. Journal of thermal analysis and Calorimetry. Vol.82, pp.719-724
(2005)
16. Frazier, William E. et.al. Low density, high temperature powder metallurgy alloys A
publication of The Minerals, Metals and Materials Society 1991 Pg 35-47
17. Askeland Donal R., Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Grupo editorial
Iberoamérica, pp. 165-177. Año 1997.
18. Mangonon Pat L. Ciencia de materiales, selección y diseño. Prentice Hall. Pp. 136-
139. Año 2001.
19. R. B. Schwarz, P. Kasiraj, T. Vreeland Jr, T. J. Ahrens (1984). A theory for the
shock-wave consolidation of powders. Acta Met. pp. 1243-1252.
20. P. Kasiraj, T. Vreeland Jr, R. H. Shwarz, T. J. Ahrens (1984). Shock consolidation of
a rapidly solidified steel powder. Acta Met. pp. 1253-1261.
21. T. Chen, J.M. Hampikian and N.N. Thadhani. Synthesis and characterization of
mechanically alloyed and shock-consolidated nanocrystalline NiAl intermetallic. Acta
Mater. Vol 47 No.8 pp.2567-2579, 1999
22. G. E. Korth, R. L. Willimason (1995). Dynamic consolidation of metastable
nanocrystalline powders. Met. trans. 26App. 2571-2578.
23. D. G. Morris. Compactación dinámica de metales amorfos y microcristalinos. Rev.
Mat. CENIM 16(1980) pp. 149-157.
24. R. A. Graham, B. Morosin, E. L. Venturini, M. J. Carr (1986). Materials modification
and synthesis under high pressure shock compression. Annu. Rev. Mater. Sci. 16
pp. 315-341.
25. M. A. Meyers, B. B. Gupta, L. E. Murr (1981). Shock wave consolidation of rapidly
solidified superalloys powders. J. Of Met. pp. 21-26.
26. D. G. Morris (1980). Compaction ond mechanical properties of metallic glass. Met.
Sci. pp. 215-220.
27. P. Kasiraj, D. Kostka, T. Vreeland Jr, T. J. Ahrens (1984). Shock wave consolidation
of an amorphous alloy. J. Non.Cryst. Solids 61&62 pp. 967-972.
28. T. Negishi, T. Ogura, T. Masumoto, T. Goto, K. Fukuoka, Y. Syono (1985). Dynamic
compaction of amorphous Ni 73 Si 8 B 17 and Pd 78 Cu 6 Si 16 alloys. J. Mater.
Sci. 20 pp. 399-406.