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Revisión de diversas técnicas de sinterización eléctrica

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Equation Chapter 1 Section 1

Trabajo Fin de Grado

Ingeniería de Tecnologías Industriales

Revisión de diversas técnicas de sinterización

eléctrica

Autor: Javier Gimeno García

Tutores: Fátima Ternero Fernández

Eduardo Sánchez Caballero

Dpto. Ciencia e Ingeniería de los Materiales y del Transporte

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018


Trabajo Fin de Grado

Ingeniería de Tecnologías Industriales

Revisión de diversas técnicas de sinterización

eléctrica

Autor:

Javier Gimeno García

Tutores:

Fátima Ternero Fernández. Profesora Sustituta Interina

Eduardo Sánchez Caballero. Profesor Sustituto Interino

Dpto. de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y del Transporte

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018


Trabajo Fin de Grado: Revisión de diversas técnicas de sinterización eléctrica

Autor: Javier Gimeno García

Tuto-

res: Fátima Ternero Fernández y

Eduardo Sánchez Caballero

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, a 27 de Abril de 2018

El Secretario del Tribunal


A mi familia

A mis maestros


Agradecimientos

Ha sido un período de tiempo de intenso trabajo, y es por eso por lo que merecen aparecer estas líneas de agra-

decimientos en la memoria de mi trabajo fin de grado.

En primer lugar, agradecer a mi tutora la Doctora Fátima Ternero, profesora del departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y del Transporte, la constante ayuda prestada cuando así lo requería, así como al

Doctor Eduardo Sánchez Caballero, profesor del departamento de Ciencia e Ingeniería de los materiales y del

Transporte, por su colaboración en la elaboración de este proyecto. Por otra parte, agradecer al Profesor Juan Manuel Montes, catedrático del departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y del Transporte, la

propuesta de trabajo fin de grado elaborada para mí.

También me gustaría dedicarle unas líneas a mis padres y hermana por su incondicional apoyo durante todos

estos años de carrera, depositando en mí una confianza absoluta, así como a mis amigos, sin los que esto no

hubiera sido posible.

Javier Gimeno García

Alumno del Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Sevilla, 2018


Resumen

En este trabajo se lleva a cabo una revisión de las distintas técnicas de sinterización eléctrica que se

han ido proponiendo a lo largo de la historia. Algunas de estas técnicas de procesado de materiales han

resultado de gran utilidad en distintos ámbitos de la investigación de materiales, aunque aún no goza

aún de una clara implantación industrial.

En los capítulos de este documento se realiza una introducción al campo de la pulvimetalurgia, descri-

biendo sus principales rutas de prensado en frío y en caliente, con objeto de contextualizar adecuada-

mente el lugar que ocupan las técnicas de consolidación eléctrica, y el nicho de aplicaciones al que van

orientadas.

Posteriormente, se analizan las diferentes técnicas de sinterización eléctrica utilizadas por sus invento-

res, así como las principales características de los equipos y sus condiciones de trabajo. Se espera con

ello, poder extraer las ventajas y las limitaciones de cada una de las técnicas, según los materiales que

procesaban.

Además, se lleva a cabo otra clasificación de estas técnicas de sinterización. Se analizan distintos tipos

de materiales para obtener una amplia información de sus propiedades y, una vez obtenida, se descri-

ben los distintos métodos de sinterización que se les aplicaron.


ii

Abstract

In this project, it is carried out a review of the different electric sintering techniques performed through-

out history. This kind of materials processing has resulted extremely useful in different industrial fields,

becoming one of the most used in diverse areas (medical, motoring, aeronautic, etc).

In the chapters shown in this document, it is explained the powder metallurgy concept, as well as the

different methods of cold and warm processing.

Subsequently, the different sintering techniques developed by their discoverers are analised through

the testing values obtained from scientific documents. It is possible, thus, outline the advantages and

limitations of every technique, according to the processed materials.

Furthermore, there is another classification of these sintering techniques. Different kind of materials

are described and analised, to get further information about their properties. Once these materials are

described, a review of the different sintering methods applied to these materials is made.


iii

Objetivos

El objetivo de este trabajo es llevar a cabo una revisión de las diversas técnicas de sinterización eléc-

trica, destacando las ventajas y las limitaciones de cada una de ellas a partir de la información experi-

mental obtenida de varios artículos. Con estos valores, se puede razonar qué técnica resulta más favo-

rable según el material a procesar.

Con el fin de contextualizar estas técnicas dentro del campo de la Pulvimetalurgia, se realiza una

breve descripción de este campo, de sus conceptos básicos relacionados, así como de sus diferentes

modalidades o rutas principales de procesado, entre las que cabe incluir el prensado en frío seguido de

sinterizado en horno y el prensado en caliente.

Tras la comparación de las distintas técnicas de sinterización eléctrica, se realiza una revisión de

distintos tipos de materiales y de las correspondientes técnicas de sinterización aplicadas.


iv

Índice

Agradecimientos……………………………………………………………………………………………………………………………………0

Resumen………………………………………………………………………………………………………………………………………………..i

Abstract…………………………………………………………………………………………………………………………………………………ii

Objetivos ………………………………………………………………………………………………………………………………………………iii

Índice…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….iv

Índice de tablas……………………………………………………………………………………………………………………………………..viii

Índice de Figuras……………………………………………………………………………………………………………………………………..ix

Notación………………………………………………………………………………………………………………………………………………….x

1. Pulvimetalurgia……………………………………………………………………………………………………………………………….Error! Bookmark not defined.

1.1. Sinterización………………………………………………………………………………………………………………………………………1 1.2. Rutas convencionales de la pulvimetalurgia……………………………………………………………………………………….2 1.3. Prensado en caliente………………………………………………………………………………………………………………………….3

2. Desarrollo histórico de distintas técnicas de consolidación eléctrica………………………………………………….6 2.1. Bloxam, 1906……………………………………………………………………………………………………………………………………..6 2.1.1. Material empleado………………………………………………………………………………………………………………..…6 2.1.2. Valores experimentales…………………………………………………………………………………………………………….6 2.1.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………………6 2.1.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………………..7 2.2. Weintraub y Rush, 1913……………………………………………………………………………………………………………………..7 2.2.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………………7 2.2.2. Dispositivo experimental…………………………………………………………………………………………………………..7 2.2.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………………8 2.2.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………………..8 2.3. Duval D'Adrian, 1922………………………………………………………………………………………………………………………….9 2.3.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………………9 2.3.2. Proceso…………………………………………………………………………………………………………………………………….9 2.3.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………………9 2.3.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………………..9 2.4. Davis, 1927………………………………………………………………………………………………………………………………………10 2.4.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………………10 2.4.2. Valores experimentales………………………………………………………………………………………………………….10 2.4.3. Ventajas…………………………………………………………………………………………………………………………………10 2.4.4. Limitaciones…………………………………………………………………………………………………………………………..10 2.5. Sherwood, 1931 y 1933……………………………………………………………………………………………………………………11 2.5.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………………11 2.5.2. Valores experimentales…………………………………………………………………………………………………………..11 2.5.3. Ventajas………………………………………………………………………………………………………………………………….11


v

2.5.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………………11 2.6. Hoyt y Gilson, 1932…………………………………………………………………………………………………………………………..12 2.6.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………………12 2.6.2. Dispositivo experimental…………………………………………………………………………………………………..……12 2.6.3. Ventajas………………………………………………………………………………………………………………………………...14 2.6.4. Limitaciones…………………………………………………………………………………………………………………………..14 2.7. Taylor, 1932 y 1933………………………………………………………………………………………………………………………….14 2.7.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………………14 2.7.2. Dispositivo experimental………………………………………………………………………………………………………..15 2.7.3. Ventajas…………………………………………………………………………………………………………………………………15 2.7.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………………15 2.8. Thomson Houston Company…………………………………………………………………………………………………………….15 2.8.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………………16 2.8.2. Dispositivo experimental…………………………………………………………………………………………………………16 2.8.3. Ventajas………………………………………………………………………………………………………………………………….16 2.8.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………………16 2.9. Kratky, 1937…………………………………………………………………………………………………………………………………….17 2.9.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………………17 2.9.2. Dispositivo experimental………………………………………………………………………………………………………..17 2.9.3. Ventajas…………………………………………………………………………………………………………………………………18 2.9.4. Limitaciones…………………………………………………………………………………………………………………………..18 2.10. Willey, 1937-1938………………………………………………………………………………………………………………………….18 2.10.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………….18 2.10.2. Dispositivo experimental………………………………………………………………………………………………………18 2.10.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………….19 2.10.4. Limitaciones………………………………………………………………………………………………………………………….19 2.11. Engle, 1940 ……………………………………………………………………………………………………………………………………19 2.11.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………….19 2.11.2. Dispositivo experimental………………………………………………………………………………………………………19 2.11.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………….20 2.11.4. Limitaciones…………………………………………………………………………………………………………………………20 2.12. Cremer, 1944…………………………………………………………………………………………………………………………………20 2.12.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………….21 2.12.2. Dispositivo experimental………………………………………………………………………………………………………21 2.12.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………….21 2.12.4. Limitaciones…………………………………………………………………………………………………………………………22 2.13. Ross, 1945……………………………………………………………………………………………………………………………………..22 2.13.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………….22 2.13.2. Condiciones experimentales…………………………………………………………………………………………………23 2.13.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………….23 2.13.4. Limitaciones…………………………………………………………………………………………………………………………23 2.14. Tecnología de la sinterización fast ECAS…………………………………………………………………………………………23 2.15. Balaguer, 1961………………………………………………………………………………………………………………………………25 2.15.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………..25 2.15.2. Valores experimentales………………………………………………………………………………………………………26 2.15.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………..26 2.15.4. Limitaciones ……………………………………………………………………………………………………………………….26 2.15.5. Especulaciones……………………………………………………………………………………………………………………26 2.16. Inoue, 1966…………………………………………………………………………………………………………………………………..28 2.16.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………..28 2.16.2. Dispositivo experimental…………………………………………………………………………………………………….28 2.16.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………..29 2.16.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………….29 2.16.5. Innovaciones………………………………………………………………………………………………………………………29


vi

2.17. Parker, 1968…………………………………………………………………………………………………………………………………30 2.17.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………….30 2.17.2. Valores experimentales……………………………………………………………………………………………………..31 2.17.3. Ventajas…………………………………………………………………………………………………………………………….31 2.17.4. Limitaciones……………………………………………………………………………………………………………………….31 2.18. Hetherington, 1969 ……………………………………………………………………………………………………………………..31 2.18.1. Material empleado…………………………………………………………………………………………………………….31 2.18.2. Valores experimentales………………………………………………………………………………………………………32 2.18.3. Ventajas………………………………………………………………………………………………………………………………32 2.18.4. Limitaciones………………………………………………………………………………………………………………………..32 2.19. Okazaki, 1990………………………………………………………………………………………………………………………………..32 2.19.1. Material empleado………………………………………………………………………………………………………………32 2.19.2. Valores experimentales………………………………………………………………………………………………………..32 2.19.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………….33 2.19.4. Limitaciones………………………………………………………………………………………………………………………….33 2.20. Knoess y Schlemmer, 1996……………………………………………………………………………………………………………..33 2.20.1. Material empleado……………………………………………………………………………………………………………….34 2.20.2. Dispositivo experimental………………………………………………………………………………………………………34 2.20.3. Ventajas……………………………………………………………………………………………………………………………….34 2.20.4. Limitaciones………………………………………………………………………………………………………………………….34 2.21. K.B. Surreddi y colaboradores, 2009……………………………………………………………………………………………….34

2.21.1. Material empleado………………………………………………………………………………………………………………35 2.21.2. Dispositivo experimental……………………………………………………………………………………………………..35 2.21.3. Ventajas………………………………………………………………………………………………………………………………35 2.21.4. Limitaciones………………………………………………………………………………………………………………………..35 3. Metales……………………………………………………………………………………………………………………………………………37

3.1. Aluminio………………………………………………………………………………………………………………………………………….37 3.2. Cobalto……………………………………………………………………………………………………………………………………………37 3.3. Magnesio………………………………………………………………………………………………………………………………………..38 4. Aleaciones metálicas……………………………………………………………………………………………………………………….39 4.1. Nb/Al………………………………………………………………………………………………………………………………………………39 4.2. Ni/Al……………………………………………………………………………………………………………………………………………….40 4.3. Ir/Nb……………………………………………………………………………………………………………………………………………….40 5. Carburos………………………………………………………………………………………………………………………………………….41 5.1. Fe3C…………………………………………………………………………………………………………………………………………………41 5.2. TiC……………………………………………………………………………………………………………………………………………………41 5.3. Cr2AlC………………………………………………………………………………………………………………………………………………42 6. Boruros…………………………………………………………………………………………………………………………………………….43 6.1. HfB2………………………………………………………………………………………………………………………………………………….43 6.2. MgB2………………………………………………………………………………………………………………………………………………..43 6.3. SiB6…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..44 7. Nitruros……………………………………………………………………………………………………………………………………………45 7.1. AlN…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..45 7.2. Si3N4…………………………………………………………………………………………………………………………………………………45 7.3. TiN…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..46 8. Silicios………………………………………………………………………………………………………………………………………………48 8.1. MoSi2……………………………………………………………………………………………………………………………………………….48 8.2. FeSi2…………………………………………………………………………………………………………………………………………………48 8.3. Si3Zr5 y Si3Ti2Zr3…………………………………………………………………………………………………………………………………49 8.4. ReSi1.75 …………………………………………………………………………………………………………………………………………….49 9. Óxidos……………………………………………………………………………………………………………………………………………..50 9.1. Titanatos………………………………………………………………………………………………………………………………………….50 9.2. Ferritas…………………………………………………………………………………………………………………………………………….51 9.3. (Na/K)NbO3………………………………………………………………………………………………………………………………………52


vii

9.4. Óxidos basados en el compuesto Al2O3…………………………………………………………………………………………….53 9.5. Óxidos de Zr…………………………………………………………………………………………………………………………………….56 9.6. Óxidos de circonio y aluminio…………………………………………………………………………………………………………..57 9.7. SiO2………………………………………………………………………………………………………………………………………………….58 9.8. Mullita……………………………………………………………………………………………………………………………………………..59 9.9. TiO2………………………………………………………………………………………………………………………………………………….59 9.10. CeO2………………………………………………………………………………………………………………………………………………61 9.11. MgO………………………………………………………………………………………………………………………………………………61 9.12. Materiales que contienen ZnO……………………………………………………………………………………………………….62 9.13. CaSiO3……………………………………………………………………………………………………………………………………………62 9.14. Oxinitruros…………………………………………………………………………………………………………………………………….62 9.15. Óxidos basados en el compuesto SnO2………………………………………………………………………………………..…63 9.16. Óxidos con contenido en lantano…………………………………………………………………………………………………..63 10. Sialon……………………………………………………………………………………………………………………………………………..64 10.1. Técnicas de sinterización aplicadas…………………………………………………………………………………………………64 11. Compuestos cerámicos de metal y aleaciones………………………………………………………………………………..65 11.1 Carburos cementados……………………………………………………………………………………………………………………..65 11.2. Otros carburos, nitruros y boruros. Compuestos metálicos y aleaciones………………………………………….66 11.3. Partículas de cerámica reforzadas por matriz de metal……………………………………………………………………66 11.4. Compuestos metálicos y aleaciones metálicas………………………………………………………………………………..67 11.5. Compuestos de silicio con metales…………………………………………………………………………………………………67 11.6. Óxidos metálicos y óxidos aleados………………………….………………………………………………………………………67

Discusión….……………………………………………………………………………………………………………………………………………70

Referencias……………………………………………………………………………………………………………………………………….72


viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Condiciones experimentales utilizadas por Weintraub y Rush en su dispositivo experimental, 1913..8

Tabla 2. Valores experimentales en el método de Davis ……………………………………………………..10

Tabla 3. Valores experimentales en el método de Sherwood…………………………………………………11

Tabla 4. Valores experimentales de la técnica de Hoyt y Gilson……………………………………………...13

Tabla 5. Valores obtenidos en el desarrollo del experimento de Taylor……………………………………….15

Tabla 6. Valores experimentales obtenidos en el experimento de Thomson Houston Company………………16

Tabla 7. Valores experimentales del método de Kratky……………………………………………………….18

Tabla 8. Valores experimentales del método desarrollado por Willey………………………………………...19

Tabla 9. Valores experimentales del método de Engle………………………………………………………..20

Tabla 10. Valores experimentales del experimento de Cremer………………………………………………..21

Tabla 11. Condiciones experimentales del método de Ross…………………………………………………..23

Tabla 12. Valores experimentales obtenidos en el método de Balaguer……………………………………….26

Tabla 13. Valores obtenidos en el experimento de Parker…………………………………………………….31

Tabla 14. Valores experimentales del método de Hetherington……………………………………………….32

Tabla 15. Valores obtenidos mediante el experimento de Okazaki……………………………………………33

Tabla 16. Valores obtenidos en el experimento de Knoess y Schlemmer……………………………………...34

Tabla 17. Valores experimentales del método de K.B. Surreddi et al, 2009………………………………….35


ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Representación esquemática del proceso de sinterización ECAS……………………………….4

Figura 2. Circuito equivalente del proceso de sinterización EDS…………………………………………5

Figura 3. Dispositivo experimental de sinterización patentado por Weintraub y Rush, 1913……………..8

Figura 4. Esquema del funcionamiento del aparato desarrollado por Hoyt y Gilson……………………...13

Figura 5. Aparato de sinterización basado en el esquema de Kratky de un sistema con impacto de carga..17

Figura 6. Esquema del método de calentamiento suplementario de Engle………………………………..20

Figura 7. Rastro de la corriente de un oscilógrafo durante la sinterización de compuestos de hierro……...24

Figura 8. Esquema de un concepto adaptado del circuito eléctrico del método de la chispa eléctrica……..28


x

Notación

ECAS Electric Current Assisted/Activated Sintering

RS Resistance Sintering

EDC Electro discharge compaction

EDS Electro discharge sintering

SPS Spark Plasma Sintering

PAS Plasma Activated Sintering

PECS Pulsed Electric Current Sintering

PPS Pulse Plasma Sintering

PDS Pulse Discharge Sintering

SHS Self-propagating high-temperature synthesis reaction

HP High Pure

XRD X-Ray Diffraction

PLS Presureless sintering


1

1 PULVIMETALURGIA

La Pulvimetalurgia se define como el proceso de fabricación de diversos componentes a partir de

polvos de materiales tanto metálicos, no metálicos, como mezcla de ambos. Los polvos son com-

primidos reproduciendo la forma deseada para posteriormente ser calentados, siempre por debajo

del punto de fusión, para que se produzca la unión de las partículas [1].

Gracias a la pulvimetalurgia, se producen componentes de alta importancia industrial, dedica-

dos a diversas aplicaciones propias de:

- la industria del automóvil

- la fabricación de electrodomésticos, bombas, cojinetes y transmisiones.

- la industria aeronáutica y aeroespacial, en discos de superaleación para turbinas o compo-

nentes de fuselajes hechos de aleaciones de titanio [1].

- los implantes quirúrgicos, como los rellenos de dientes con amalgamas dentales. Estos uti-

lizan el sinterizado transitorio con fase líquida a temperatura ambiente, donde una aleación

de plata-estaño se amalgama con mercurio, que se consume en la reacción. [2]

- la fabricación aceros para herramientas proporcionando una gran cantidad de piedas en un

menor tiempo, además de presentar una distribución de carburo mucho más fina, pudiendo

ser el contenido de este mayor que el encontrado en los aceros producidos convencional-

mente y proporcionando una vida de la herramienta mayor [1].

1.1. Sinterización

La sinterización es un proceso mediante el cual un conjunto de partículas, previamente compactadas o

no, se enlazan químicamente formando una pieza consolidada debido a la acción de una temperatura

elevada. Este procedimiento de fabricación proporciona una gran cohesión de los polvos, creando fuer-

tes enlaces entre las partículas que conforman la pieza [3].

El calentamiento de la pieza previamente prensado (compacto en verde) suele realizarse industrialmente

por horno de gas, aunque en la escala de laboratorio es admisible y mejor el horno eléctrico.

Otras posibles vías de calentamiento de las piezas para lograr el sinterizado es el calentamiento por

horno de inducción o por horno de microondas.


2

1.2. Rutas convencionales de la pulvimetalurgia

Una vez son mezclados los polvos, generalmente en un molino de bolas, se lleva a cabo el

prensado en frío [4].

La compactación uniaxial es un proceso de conformado de polvos en el que la presión es transmitida

al conjunto de polvos en una única dirección. En cuanto a las ventajas de este proceso, cabe señalar el

alto nivel de producción, que conllevan un bajo coste de las piezas producidas. Las piezas fabricadas

pueden contener detalles muy complejos en los planos perpendiculares a la dirección en la que se aplica

la presión [4].

Por otro lado, la imposibilidad de alcanzar el valor de densidad teórico en las piezas conformadas se

postula como una de las principales limitaciones de esta técnica. Para evitar grandes diferencias de

densidad, este método se utiliza solo para el caso de conformado de piezas poco esbeltas. A esto se

suma la capacidad de compactación de las prensas, que limitará el tamaño final de las piezas [4].

Tras esta compactación uniaxial, tiene lugar el proceso de sinterización, llevado a cabo generalmente

en un horno continuo de cinta, en el que las piezas van circulando a gran escala en una atmósfera

controlada. Las partículas, unidas mecánicamente, a medida que aumenta la temperatura, empiezan a

experimentar fenómenos de difusión y transporte de masa. Se empiezan a formar cuellos de unión

entre las partículas, que van aumentando su tamaño hasta que se crean poros cerrados. Estos poros

cerrados, a su vez, van disminuyendo su tamaño y se va densificando el material [4].

Un método particular de consolidación es el de la compactación isostática en frío, que se basa en una

aplicación del teorema de Pascal, que establece que cualquier presión aplicada sobre un fluido incom-

presible en un recipiente de paredes indeformables se transmite por igual en todas sus direcciones. Con

la compactación isostática se reducen de manera sustancial los problemas de uniformidad que se daban

en el prensado unidireccional, debidos al rozamiento entre el polvo, las paredes de la matriz y los

punzones [5]. Tras este prensado, las dimensiones de la pieza obtenida son prácticamente iguales a las

de la pieza final, siendo su resistencia muy baja pudiéndose incluso romper con la mano.

Para darle las propiedades finales necesarias, la pieza ha de ser sometida a un proceso de sinterización,

mediante el cual se provoca, debido a la temperatura, el movimiento de los átomos, tales como fenó-

menos de difusión y de transporte de masa. Hay que recordar que, por el momento, las partículas están

únicamente unidas por el prensado. Mediante la sinterización, se le da una consistencia química que

permite que el material tenga propiedades eléctricas, mecánicas, térmicas, etc. A través de una serie de

etapas, se van formando cuellos de unión entre las partículas. Esos cuellos van creciendo y van creando

poros cerrados, los cuales, a medida que avanza el proceso, van reduciendo su tamaño y se va densifi-

cando el material [5].


3

1.3. Prensado en caliente

El proceso de prensado en caliente consiste en la simultánea aplicación de presión y temperatura. Mediante

este proceso, se elimina la porosidad interna de las piezas fundidas, mejorando así la consistencia y las propie-

dades mecánicas de las mismas [5]. Las principales rutas de prensado en caliente son: (a) calentamiento por

horno adosado, (b) calentamiento por inducción y (c) calentamiento por efecto Joule de la corriente que atraviesa

directamente el polvo (conductor).

(a) Calentamiento por horno adosado. El horno es calentado mediante resistencias eléctricas.

Debe estar hecho un material resistente a las temperaturas de trabajo.

(b) Calentamiento por inducción. Mucho más eficaz que el anterior, pero solo válido para com-

pactos de materiales ferromagnéticos donde las corrientes de Foucault pueden ser suficiente-

mente grandes para causar el calentamiento del compacto. Para polvos no ferromagnéticos, se

provee un molde que sí lo sea. El calentamiento es pues indirecto.

(c) Calentamiento por efecto Joule en el propio polvo. A esta modalidad responden muchas de

las variantes de consolidación eléctricas, pero no todas. Algunas de las modalidades de sinte-

rizaciñon eléctrica requieren matrices de grafito, conductoras, para provocar el calentamiento

de esta,

Profundizando en las técnicas de consolidación eléctriacs, podemos diferenciar distintas técnicas,

que van a ser explicadas a continuación:

A. Sinterización Electric Current Assisted/Activated Sintering (ECAS):

La técnica ECAS es un tipo de método de consolidación en el que se combina la presión mecánica

con electricidad o calor para mejorar la densificación y la adhesión entre partículas. Los materiales

iniciales a sinterizar pueden ser tanto polvos como piezas ya prensadas [6]. El primer objetivo de la

corriente eléctrica es aportar la cantidad requerida de calor resistivo. Además, las corrientes eléctricas

pueden mejorar la sinterización del polvo activando varios mecanismos concurrentes, como eliminar

el óxido de la superficie, electromigración y electroplasticidad [7]. El calor resistivo total consiste en

un calor masivo y otro localizado. El primero se concentra en los puntos de contacto de las partículas

y sirve para adherirlas, mientras que el último provoca la deformación plástica. En la figura 1 podemos

apreciar una representación del proceso de sinterización en el que el polvo a sinterizar era almacenado

en un recipiente y, mediante la fuente de energía, se transmitía el calor necesario. A través de los com-

presores se ejercía presión mecánica para consolidar el polvo y obtener la pieza deseada [6] [7].


4

Figura 1. Representación esquemática del proceso de sinterización ECAS.

A continuación, vamos a señalar las diferencias entre la sinterización Fast ECAS y Ultrafast ECAS:

- Fast ECAS:

Tiempo de descarga mayor que 0.1 s.

Densidad de corriente menor que 1 kA/cm²

Materiales conductores y no conductores de la electricidad (metales, cerámicos, com-

puestos y polímeros)

Frecuencia de 10²-108 Hz [8]

- Ultrafast ECAS:

Tiempo de descarga menor que 0.1 s.

Densidad de corriente superior a 10 kA/cm²

Conductores eléctricos (metales y cermets)

Frecuencia de 1-100 Hz [6]

B. Sinterización Electric Discharge Sintering (EDS):

Por otra parte, la sinterización EDS hace uso de la energía eléctrica almacenada en un banco de con-

densadores, que es soltada repentinamente a la muestra de polvos. En este tipo de sinterización, apare-

cen tanto voltajes como intensidades superiores a las de la sinterización RS, siendo la energía eléctrica

descargada a través de varios impulsos muy intensos [6].

FUENTE DE ENERGÍA

ELÉCTRICACOMPRESORES

PRESIÓNMECÁNICA


5

La elevada corriente transitoria circulando a través de la columna provoca su calentamiento

y la sinterización de las partículas de polvo. Simultáneamente, esta corriente genera un intenso

campo magnético en la dirección acimutal, que tiende a desplomar el cuerpo de polvo radialmente

hacia dentro. Por lo tanto, tras la descarga, la preforma compacta puede deslizar dentro del envase

y puede ser quitada fácilmente para un procesado posterior [5] [6]. En la figura 2 podemos apreciar

el esquema del circuito eléctrico utilizado en este método de sinterización, en el que se ha simpli-

ficado el banco de condensadores representando únicamente un condensador. La corriente alma-

cenada en este se descargaba de un impulso a la muestra, provocando elevadas intensidades de

corriente [6].

Figura 2. Circuito equivalente del proceso de sinterización EDS


6

2. DESARROLLO HISTÓRICO DE DISTINTAS TÉC-

NICAS DE CONSOLIDACIÓN ELÉCTRICA En este capítulo, vamos a describir una serie de técnicas de sinterización ordenadas cronológicamente.

2.1. Bloxam, 1906

Bloxam es el pionero de la tecnología ECAS. El propósito inicial de su invento era aumentar la pro-

ducción de lámparas incandescentes. Un filamento verde, compuesto tanto por partículas de Wolfra-

mio como de Molibdeno, era sinterizado en el vacío haciendo pasar una corriente a través de ellas sin

ejercer presión. La corriente era particularmente efectiva reduciendo los óxidos de la superficie y la

emisividad de los filamentos incandescentes fue aumentada [6].

2.1.1. Material empleado

En cuanto al material empleado, se utilizaron partículas de wolframio y molibdeno.

2.1.2. Valores experimentales

En cuanto a los valores de presión, voltaje, intensidad, temperatura, tiempo de descarga y diámetro no

hay valores registrados. Solo se sabe que no se aplicaba presión [6].

2.1.3. Ventajas

- Se consiguió un aumento de la emisividad de las lámparas, que supuso un adelanto a la com-

petencia de la época

- Muy efectiva ya que reducía la formación de óxidos superficiales

- Ahorro del coste debido a que no es neceario el uso de una prensa en el dispositivo, lo que

conlleva además un ahorro energético ya que no es necesario ejercer presión en este método

de sinterización.

- Se consiguió una producción a escala industrial de filamentos de wolframio y molibdeno [6]


7

2.1.4. Limitaciones

El experimento se llevó a cabo únicamente para aumentar la producción de lámparas incandescentes.

2.2. Weintraub y Rush, 1913

En 1913, Weintraub y Rush patentaron un nuevo método de sinterización que combinaba simultánea-

mente presión mecánica y corriente eléctrica. Los beneficios de este método fueron comprobados con

la sinterización de metales refractarios, así como polvos conductores de carburos y nitruros [6]. Este

invento puede ser considerado como el precursor del moderno fast ECAS [8], debido a los valores que

se presentan en la tabla 1.

El método consiste en colocar los polvos elementales iniciales en un tubo aislante de nitruro

de boro dentro de un tubo metálico. Un electrodo de grafito se encarga de comprimir, conectado

a una fuente de energía, y ejerce una presión uniaxial mediante un soporte con forma de plato que

transmite este esfuerzo, tal y como podemos apreciar en la figura 3. Otros procesos mecánicos

como atornillamiento o presión hidráulica pueden ser utilizados también. Al principio se aplica

un voltaje alto en corriente continua para superar la alta resistividad eléctrica inicial del polvo.

Posteriormente, este voltaje se va reduciendo progresivamente de 15 kV a 500 V, siendo la tem-

peratura estimada de sinterización de aproximadamente 2000 ºC [6].


En este experimento se utilizaron partículas de wolframio, carburo de boro y carburo de silicio. El tubo

aislante estaba hecho de nitruro de boro.

2.2.2. Dispositivo experimental

El dispositivo experimental empleado por Weintraub y Rush queda represntado en la Fig 3.


8

Figura 3. Dispositivo experimental de sinterización patentado por Weintraub y Rush. 1913.

Para llevar a cabo las experiencias, Weintraub y Rush, utilizaron los valores experimentales recogidos

en la Tabla 1 [6].

Tabla 1. Condiciones experimentales utilizadas por Weintraub y Rush en su dispositivo experimental. 1913

2.2.3. Ventajas

- Posibilidad de sinterización de metales refractarios

- Empleo de otros procesos mecánicos como la aplicación de presión hidráulica.

2.2.4. Limitaciones

- Necesidad de acoplar una prensa para ejercer presión

- Se debe aplicar un alto voltaje al principio para vencer la resistividad del polvo

Presión No hay valor registrado

Voltaje 500 V

Intensidad de corriente No hay valor registrado

Temperatura 2000 ºC

Tiempo de descarga No hay valor registrado

Diámetro 2 cm


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2.3. Duval D’Adrian, 1922

En 1922, Duval D’Adrian desarrolló un método de tres fases para sinterizar eléctricamente polvos

aislantes de elementos como circonio, torio y tántalo. Su invento fue utilizado para producir tubos

aislantes, crisoles, bloques y recubrimientos. Los pasos son:

1) Mezcla del polvo de óxido con un pegamento y moldeo a la forma deseada.

2) Completo secado de la pieza moldeada y precalentada en un horno convencional para

hacer que el óxido conduzca la electricidad.

3) Sinterización resistiva directa a unos 2500 ºC mientras se aplica presión usando un par de

electrodos de carbono [6].


En cuanto al material empleado, se utilizaron polvos de circonio, torio y tántalo.

2.3.2. Proceso

Se empleó un horno convencional para conseguir el secado de la mezcla del polvo y dos electrodos de

carbono para aplicar presión [6].

2.3.3. Ventajas

- Utilizado para producir diversas piezas con diferentes funcionalidades

- Empleo de diversos materiales a los que aplicarles el proceso de sinterización anterior-

mente descrito

2.3.4. Limitaciones

- La exhaustividad de los pasos del proceso lo complican, así como la utilización de aditivos

como pegamentos.

- Alta temperatura en la sinterización resistiva directa

2.4. Davis, 1927

En 1927, Davis desarrolló un método RS para sinterizar polvos refractarios [9]. Se centró en aumentar

el ritmo de sinterización para conseguir tiempos de sinterización de unos pocos minutos. Su exitosa


10

técnica provocó una significante simplificación tecnológica destacando que las cámaras de sinteriza-

ción de alto vacío podrían no ser necesitadas. Esto se traducía en un importante avance económico,

debido al alto coste de dichas máquinas. Un tubo de sílice era utilizado como molde y dos electrodos

de acero enfriados hidráulicamente servían como compresores [6].


En los experimentos desarrollados por Davis, se utilizaron polvos de metales refractarios y sílice.


Los valores obtenidos experimentalmente han sido recogidos en la tabla 2.

Tabla 2. Valores experimentales en el método de Davis


Voltaje No hay valor registrado



Tiempo de descarga Inferior a 5 min

Diámetro No hay valor registrado

2.4.3. Ventajas

- Disminución notable del tiempo de sinterización, siendo una de las primeras técnicas de

fast sintering [8].

- Posibilidad de dejar a un lado las cámaras de sinterización de alto vacío.

2.4.4. Limitaciones

- Poca diversidad de metales para aplicarles dicho proceso.

- Necesidad de enfriar los electrodos mediante la circulación de agua.


11

2.5. Sherwood, 1931 y 1933

En 1931 y 1933 Sherwood patentó un método RS para producir metales porosos impregnados de aceite

como materiales autolubricantes [9] (por ejemplo, 95% en masa de polvos de hierro con 5% en masa

de ácido estérico) [6].

El proceso de Sherwood fue llevado a cabo en una atmósfera inerte. Los valores de presión

necesitados estaban en un rango de entre 30 y 300 MPa y el tiempo de sinterización entre 30 y

120 s. Los productos finales se caracterizaban por una alta dureza combinada con una mayor re-

sistencia al desgaste y fácil mecanizado [6].


En estos experimentos se utilizó material aceitoso compuesto por un 89% en masa de Cu, 10% en masa

de Sn y 1% en masa de ácido estérico [6].


Los valores obtenidos experimentalmente han sido recogidos en la tabla 3.

Tabla 3. Valores experimentales en el método de Sherwood

2.5.3. Ventajas

El acabado de los productos tiene una serie de propiedades que no tienen los de anteriores métodos,

tales como una alta dureza, alta resistencia al desgaste y fácil mecanizado [6].

2.5.4. Limitaciones

Necesidad de llevar a cabo los experimentos en una atmósfera inerte

Presión Variando entre 30 y 300 MPa



Temperatura No hay valor registrado

Tiempo de descarga Varía entre 30 y 120 s



12

2.6. Hoyt y Gilson, 1932

Hoyt y Gilson, ambos trabajadores de ‘General Electric Company’ en Nueva York, patentaron dos

métodos RS para comprimir polvos de carburo de Wolframio-Cobalto [10] en unos pocos minutos

aplicando simultáneamente calor por descarga eléctrica y presión. La presión necesitada era de apro-

ximadamente 7 MPa, la temperatura estaba en un rango de entre 1300 y 1450 ºC y el tiempo de sinte-

rización era de aproximadamente 5 min [6]. Estos inventos simplificaron la producción de productos

sinterizados densos de carburo de wolframio-cobalto, haciéndolos rentables. En la figura 4 se puede

apreciar cómo el polvo de las muestras se almacenaba en el interior del aparato para, posteriormente,

mediante un aumento de la temperatura y una aplicación de presión, conseguir la consolidación de los

polvos iniciales. El invento de Gilson, a diferencia del invento de Hoyt, supuso la simultánea síntesis

reactiva y sinterización de carburo de wolframio a partir de polvos de wolframio y carbono. Este con-

cepto básico fue utilizado posteriormente para sinterizar productos de carburo de wolframio-cobalto

[6] [10].


Se empleó una proporción de 87% en masa de WC y 13% en masa de Co, a partir de polvos de W y C

[6].


El esquema del dispositivo utilizado por Hoyt y Gilson queda representado en la figura 4.


13

Figura 4. Esquema del funcionamiento del aparato propuesto por Hoyt y Gilson.

Los valores obtenidos mediante esta técnica han sido reflejados en la tabla 4.

Tabla 4. Valores experimentales de la técnica de Hoyt y Gilson

Presión 7 MPa



Temperatura Varía entre 1300 y 1450 ºC

Tiempo de descarga Superior a 1 minuto



14

2.6.3. Ventajas

- Se utiliza una presión bastante inferior a las utilizadas en métodos anteriores, lo que su-

pone un ahorro considerable en la prensa

- La temperatura de sinterización es también menor que en procesos anteriores

- Uso de corriente continua y alterna

- Los productos sinterizados son densos y se convierten en productos muy rentables

2.6.4. Limitaciones

- Poca diversidad de productos obtenidos

- El experimento se puede llevar a cabo solo con wolframio y carbono

2.7. Taylor, 1932 y 1933

El proceso consiste en un compresor de acero que golpea una preforma hecha de grafito o sílice en una

atmósfera al vacío. La composición del polvo es de 80-97% en masa WC y 3-20% en masa C [11].

A diferencia del proceso patentado por Hoyt, que necesitaba varios minutos de aplicación de corriente

para obtener piezas totalmente densas, Taylor, en 1933, consiguió la consolidación completa de car-

buros cementados de WC/Co [10] en menos de un segundo modificando el diseño original de Hoyt

[6].

En particular, que el tiempo de proceso sea más corto en el sistema desarrollado por Taylor es

debido a la capacidad de aplicar descargas en corriente continua a las muestras con un posterior cambio

a corriente alterna. La descarga eléctrica era obtenida empleando un condensador conectado a 2500 V

en corriente continua en paralelo con la mezcla a sinterizar. Taylor destacó la importancia de la des-

carga eléctrica debido a la alta resistividad inicial del polvo, y señaló en su patente que la descarga

eléctrica reduce la resistencia del polvo a consolidar, permite el flujo de corriente a través de la muestra

cuando el sistema está conectado a un generador de bajo voltaje y, de este modo, se calienta a la tem-

peratura de sinterización deseada [6].


En los experimentos llevados a cabo por Taylor, se utilizaron polvos con una composición de entre el

80 y el 97% en masa de WC y entre el 3 y el 20% en masa de C [6].


15


Los valores obtenidos al realizar el experimento de Taylor han sido recogidos en la tabla 5.

Tabla 5. Valores obtenidos en el desarrollo del experimento de Taylor

2.7.3. Ventajas

- El proceso de sinterización se lleva a cabo en 1 s o menos

- La diferencia con el método de Hoyt es que la descarga en corriente continua va seguida

de un cambio a corriente alterna (esto acelera la sinterización)

2.7.4. Limitaciones

- Alta resistencia inicial del polvo

- Necesidad de cambiar de corriente continua a alterna

2.8. Thomson Houston Company

En 1935, Thomson Houston Co., Ltd’ patentó un método de sinterización por adhesión de ruedas mo-

ledoras (12.5 mm de diámetro) consistente en un anillo exterior desgastador pegado a un núcleo me-

tálico. En este método, el anillo exterior está compuesto por una mezcla de polvo que contiene dia-

mante (10-20% en masa) incrustado en carburo de wolframio-cobalto [10](3-20% en masa). Los va-

lores máximos de temperatura y tiempo de descarga durante la sinterización son aproximadamente

1300 ºC y 30 s, respectivamente. De acuerdo con la patente original, el molde está sujetado por unos

compresores enfriados hidráulicamente. La mezcla del polvo se coloca en el espacio con forma de

anillo delimitado por el disco de metal, el compresor y el molde. La rueda moledora se monta en un

mango que la soporta. Una combinación de corriente eléctrica, calor y presión hacen posible tanto la

sinterización como la soldadura del anillo exterior al disco de metal. Este proceso construyó el camino

Presión 100 MPa




Tiempo de descarga Entre 1 y 2.5 s

Diámetro Longitud mayor que el diámetro


16

de nuevas aplicaciones industriales de ECAS combinando de una manera efectiva la sinterización con

la adhesión [6].


Los experimentos llevados a cabo por esta empresa utilizaron una mezcla de polvo metálico que con-

tiene entre un 10 y un 20% en masa de diamante incrustado en WC-Co (3-20% en masa). El resto es

WC.


El experimento realizado por esta empresa reveló una serie de datos, que han sido recogidos en la tabla

6.

Tabla 6. Valores experimentales obtenidos en el experimento de Thomson Houston Company.





Tiempo de descarga Inferior a 30 s

Diámetro 2 cm

2.8.3. Ventajas

- Se consigue tanto la sinterización como la soldadura del anillo al disco metálico.

- Se abre paso a diversas aplicaciones industriales novedosas.

2.8.4. Limitaciones

- Alta precisión en la composición de la mezcla para evitar errores.

- Uso de material muy costoso como el diamante.


17

2.9. Kratky, 1937

En 1937, Kratky patentó un método ‘fast ECAS’ [8] de impacto de cargas. Este invento fue aplicado a

la producción de herramientas de corte hechas de carburos y nitruros.

La corriente era de aproximadamente 800 A que correspondía con una caída de voltaje de 4

V. En cuanto la preforma y el polvo alcanzaban la temperatura deseada, el polvo era prensado por

impacto de cargas, tal y como podemos apreciar en la figura 5 [6].

Los electrodos eran refrigerados con agua para evitar un sobrecalentamiento.


Se emplearon materiales duros, especialmente WC, cerámicos y aceros [6] [10]. La preforma estaba

hecha de grafito y el compresor estaba constituido de W.


El experimento de Kratky fue llevado a cabo en una atmósfera de vacío, siguiendo un esquema como

el que se muestra en la figura 5.

Figura 5. Aparato de sinterización basado en el esquema de Kratky de un sistema con impacto de carga.

En cuanto a los valores experimentales obtenidos en esta técnica, quedan reflejados en la tabla 7.


18

Tabla 7. Valores experimentales del método de Kratky

Presión Por impacto de cargas

Voltaje 4 V

Intensidad de corriente 800 A


Tiempo de descarga Pocos minutos


2.9.3. Ventajas

- Voltaje muy bajo e intensidades relativamente bajas

- Posibilidad de trabajar con materiales cerámicos

2.9.4. Limitaciones

- Aplicado solo para la fabricación de herramientas de corte

- Necesidad de prensa con cargas para llevar a cabo el proceso

2.10. Willey, 1937-1938

Este método consistía en una máquina soldadora de granito. El molde estaba hecho de grafito y el

compresor era de molibdeno. Los materiales utilizados en este proceso eran diamante incrustado en

una herramienta corrosiva, WC y niquel o cobre. El proceso se realizaba al aire, sin necesidad de con-

seguir el vacío o una atmósfera inerte [6].


Se empleó diamante incrustado en una herramienta corrosiva, WC y niquel o cobre. Molde de grafito

con compresor de Molibdeno.


Los valores obtenidos mediante esta técnica han sido recogidos en la tabla 8.


19

Tabla 8. Valores experimentales del método desarrollado por Willey

Presión 70 MPa




Tiempo de descarga Superior a 4 min


2.10.3. Ventajas

- Proceso menos costoso que los anteriores por realizarse al aire y no necesitar una atmós-

fera especial (vacío o inerte).

2.10.4. Limitaciones

- Uso de material costoso como el diamante.

2.11. Engle, 1940

En 1940, Engle inventó un método de sinterización centrado en minimizar la temperatura y los gra-

dientes de densidad. La uniformidad de la temperatura fue mejorada combinando una caldera que ro-

deaba a la pieza con el conocido calentamiento resistivo directo, tal y como se puede apreciar en la

figura 6. Esto provocó que se llevara a cabo un calentamiento desde dentro y desde fuera [6].


Los experimentos se llevaron a cabo con un molde y compresor hechos de grafito. Por otra parte, el

material a sinterizar era cerámico [11].


El esquema del dispositivo utilizado en el experimento desarrollado por Engle queda representado en la figura

6.


20

Figura 6. Este esquema representa el método de calentamiento suplementario de Engle, donde los polvos eran calentados simultáneamente por el efecto Joule y por un horno que envuelve al molde.

Los valores obtenidos en el desarrollo de la técnica de Engle han sido recogidos en la tabla 9.

Tabla 9. Valores experimentales del método de Engle


Voltaje Varía entre 3 y 12 V

Intensidad de corriente Superior a 3000 A



Diámetro 7.5 cm

2.11.3. Ventajas

- Se consiguió una distribución de temperaturas homogénea gracias al doble calentamiento

(caldera y resistivo directo) [12].

- Se minimizaron los gradientes de densidad


- El experimento tiene que ser llevado a cabo en una atmósfera controlable

2.12. Cremer, 1944

En 1944, Cremer patentó un sistema capaz de sinterizar polvos metálicos en un corto período de tiempo

(entre 1/60 y 1/15 s) aplicando simultáneamente presión mecánica y una corriente eléctrica continua o

alterna de unos 20 kA, correspondiendo con una densidad de corriente del orden de 620 MA/m², que


21

dependía de la naturaleza de los polvos a sinterizar, el grado de porosidad de la pieza compacta y el

espesor de esta. Fue reseñado que esta alta densidad de corriente permitía que las áreas donde las par-

tículas estaban en contacto se pudieran poner casi instantáneamente a la temperatura a la que se pro-

ducía la adhesión, que está cerca del punto de fusión, mientras que la mayoría de las partículas del

compuesto se mantenían en estado sólido y relativamente frío. Consecuentemente, la masa compacta

no adquiere temperaturas muy elevadas, aunque se hace lo suficientemente plástica como para permitir

la eliminación de la porosidad de la muestra con la aplicación de una presión moderada [5]. Además,

Cremer afirmó que la cantidad de calor empleado para enlazar las partes compactas de acuerdo con su

invento era tan pequeña que la temperatura de la pieza en su totalidad no aumentaba mucho, así que

podía ser manipulada con las manos casi inmediatamente después de haber terminado el proceso y la

expulsión de la preforma. Cremer construyó su equipo adaptando una máquina de soldadura de granito

de tipo prensa con una potencia en un rango de entre 40 y 125 kVA y obtuvo resultados satisfactorios

con pequeñas piezas compactas cuyas secciones eran de menos de 3 cm transversales a la dirección

del paso de la corriente [6].


Se emplearon materiales como cobre, oro, aluminio y otros metales.


Mediante el desarrollo de la técnica de Cremer, se obtuvieron diversos valores que han sido recogidos

en la tabla 10.

Tabla 10. Valores experimentales del método de Cremer.

Presión Varía entre 150 y 350 MPa

Voltaje Oscila entre 5 y 20 V

Intensidad de corriente 20 kA


Tiempo de descarga Varía entre 1 y 30 s

Diámetro 0.7 cm

2.12.3. Ventajas

- Tiempo de densificación entre 1/60 y 1/15 s

- Proceso realizado al aire libre, sin necesidad de acondicionar la atmósfera del experimento


22

- Las piezas no se calientan en exceso y es posible manipularlas sin protección


- Intensidades de corriente elevadas

- Proceso llevado a cabo para piezas pequeñas

2.13. Ross, 1945

El primer equipo automatizado ECAS fue desarrollado en 1945 por Ross y puesto en práctica para la

sinterización de polvos metálicos sometidos a repetidas cargas eléctricas. Este equipo incluía [6] [8]:

- Una unidad de control conectada para pesar el polvo

- Un aparato compresor

- El sistema ECAS

- Un aparato de expulsión de productos

El proceso consistía en repetidas descargas de alta intensidad y bajo voltaje superpuestas para

mejorar los resultados. La descarga eléctrica y la presión mecánica fueron sincronizadas para lograr

un calentamiento entre partículas óptimo. En particular, debido a la corta duración del flujo de corriente

durante cada impulso, las partículas de polvo podían ser calentadas a la temperatura de sinterización

en los puntos de contacto mientras que la preforma se mantenía relativamente fría [6].

La repetición de los impulsos mecánicos y eléctricos permitieron la progresiva deformación de las

partículas. Los impulsos eléctricos eran de diferente duración, distinta intensidad y distinto voltaje

dependiendo del material a sinterizar. La presión mejoraba la consolidación y los impulsos de corriente

mejoraban el control del calentamiento. Ross apoyó la idea de Cremer acerca de las posibles ventajas

de utilizar impulsos eléctricos en lugar de hacer pasar corriente eléctrica continuamente a través del

material [6].


Los materiales empleados en estos experimentos fueron básicamente acero y cermets


23

2.13.2. Condiciones experimentales

Consiste en una máquina de sinterización automática con una preforma aislante hecha de mica y un

compresor metálico [6].

Las condiciones en las que se desarrolló obtenidos la técnica de Ross han sido recogidas en

la tabla 11.

Tabla 11. Valores experimentales del método de Ross.

Presión Carga impulsiva superior a 500 MPa






2.13.3. Ventajas

- Se consiguió una completa densificación y un buen control del calentamiento

- Posibilidad de llevar a cabo la operación en una atmósfera al aire libre


La repetición de los impulsos mecánicos y eléctricos provocaban una mayor deformación de las

partículas que debía de ser controlada

2.14. Tecnología de la sinterización FAST ECAS

La tecnología fast ECAS creció con fuerza en 1966, gracias a Inoue, que patentó la revolucionaria

‘Sinterización por descarga eléctrica’, comúnmente conocida como sinterización por chispa, del tér-

mino inglés Spark Sintering (SS) [5]. Inoue archivó patentes en 1966 y 1967. Fue el primero en utilizar

los métodos de sinterización por corriente eléctrica pulsada y reconsideró la aplicación de presión y las

ondas de corriente. El invento de Inoue específicamente expone [6]:

Este método está basado en el sorprendente descubrimiento de que, al contrario de la fuerte

creencia del pasado de que eran necesarias elevadas presiones para llevar a cabo una efectiva

sinterización, se llega a la conclusión de que pueden ser utilizadas presiones mecánicas bajas


24

cuando se usa la chispa eléctrica. La chispa eléctrica, que tiene un valor de energía del orden de cientos,

incluso miles de Julios, fuerza a las partículas a enlazarse con una intensidad incluso mayor que la

alcanzable por medios mecánicos incluso cuando las partículas están en contacto ligero. De hecho, ese

tipo de contacto ligero es necesario para el desarrollo de la chispa, que también proporciona suficiente

calor para provocar que las partículas enlacen con gran fuerza. Dado que la acción de sinterización

ocurre inmediatamente en la parte de la pieza en la que se ha producido la descarga, el cuerpo completo

puede formarse en asunto de segundos, que resulta en un factor destacable comparado con métodos

anteriores para los que se requerían decenas de minutos o incluso horas para conseguir la sinterización

total.

En los años 50, un proceso llamado sinterización por resistencia bajo presión fue minuciosamente

analizado en el Rensselaer Polytechnic Institute (EE. UU.) según varios contratos con Navy Bureau of

Ships. Los equipos usados eran parecidos a las máquinas de soldadura de grano y obedecían a las ideas

patentadas por Taylor en 1933 y Cremer en 1944. La corriente era de bajo voltaje y alta intensidad

(densidades de corriente del orden de entre 38 y 200 MA/m²). La energía era suministrada por un

transformador conectado a 600 V en monofásico [6].

La figura 7 muestra el rastro de la corriente de un oscilógrafo magnético durante la sinterización

de compuestos de hierro. En particular, fue reconocido que la sinterización se puede controlar mejor

utilizando dos impulsos de corriente en lugar de uno. De hecho, fue expuesto que la película de óxido

de la superficie, típicamente presente en varias partículas del polvo, influenciaba notablemente la re-

sistencia de sinterización de la muestra.

Particularmente, en polvos que son difíciles de deformar plásticamente, era obligatorio quitar esta

película superficial en la sinterización por resistencia. Bajo esta consideración, el voltaje y la corriente

del primer impulso eran obligados a ser ajustados para vencer la resistencia (capa superficial de óxido)

del aglomerado, con una aplicación de tiempo lo suficientemente larga para lograr este propósito sin

sobrecalentar la pieza, mientras que, en realidad, era el segundo impulso el que hacía la sinterización

[6].

Figura 7. La figura muestra el rastro de la corriente de un oscilógrafo magnético durante la sinterización de compuestos de hierro.


25

Fue también mencionado que se produjeron durante la marcha los intentos de conseguir en-

tender las características básicas de este proceso y aprender en qué aspectos difiere de otros pro-

cesos de pulvimetalurgia. Al mismo tiempo, fue investigada la aplicación de la sinterización por

resistencia a un número diferente de materiales conductores. Sin embargo, el tamaño de las piezas

sinterizadas por este método estaba limitado. La mayoría de las muestras de 0.5 pulgadas de diá-

metro requerían corrientes de entre 5 y 25 kA para ser sinterizadas en un número de ciclos va-

riando entre 10 y 30 en el Rensselaer Polytechnic Institute. Ha sido demostrado que piezas de

hasta 3 pulgadas de diámetro pueden ser sinterizadas bajo presión siempre y cuando los tiempos

de sinterización se alarguen a varios segundos y se disponga de una fuente de alimentación de

bastante potencia. Sin embargo, fue señalado que la limitación de tamaño debe ser siempre con-

siderada [6].

2.15. Balaguer, 1961

Balaguer patentó un método para producir carbón denso a partir de distintas materias primas carboná-

ceas usando la técnica ECAS [8].

El método consiste en aplicar una corriente continua o alterna de bajo voltaje (entre 1 y 5 V) con una

intensidad elevada (entre 1 y 10 kA) durante un período de tiempo que puede oscilar entre 1 y 52 min,

dependiendo de las dimensiones del horno, de la tasa de calentamiento y de la temperatura deseada

[6].

El método ECAS propuesto fue explicado como combinación de presión mecánica y chispa

eléctrica. Aunque las investigaciones científicas acerca de los efectos de la corriente eléctrica no

se proporcionaron, se afirmó que este proceso había progresado más allá de la fase de viabilidad

económica [5].

Generalmente, fue explicado que este proceso había sido capaz de obtener resultados que no

hubieran sido posibles de obtener con métodos convencionales de sinterización. Sin embargo, fue

también admitido que las aplicaciones a gran escala no estaban muy bien definidas [8].


Se emplearon compuestos carbonáceos para obtener carbón denso.


26


Mediante el desarrollo de esta técnica se obtuvieron una serie de valores, que han sido recogidos en la

tabla 12.

Tabla 12. Valores experimentales obtenidos en el método de Balaguer

Voltaje Varía entre 1 y 5 V

Intensidad de corriente Se encuentra en un

rango de entre 1 y 10 kA

Tiempo de procesado Oscila entre 1 y 52 min

2.15.3. Ventajas

- Proceso económicamente viable

- Se obtuvieron resultados novedosos con respecto a anteriores experimentos

- Proceso con gran versatilidad


- Poca diversidad de materiales a utilizar (los materiales empleados son compuestos con

carbono).

- Dificultades a la hora de hacer aplicaciones a gran escala.

2.15.5. Especulaciones

Aparte de las limitaciones del método de Balaguer (que utiliza sinterización por chispa) expuestas

anteriormente, se explica a continuación de manera detallada una serie de especulaciones que apare-

cieron.

Es interesante darse cuenta de que el desarrollo de la técnica de sinterización por chispa fue debido

al descubrimiento de que las partículas de metal expuestas al vacío inmediatamente se soldaban sin

suministrar calor [6]. Fue deducido entonces que el calor no es un factor crítico en la soldadura de

partículas de metal, pero lo que sí es de importancia crítica es la eliminación de óxidos y otros conta-

minantes de las superficies de contacto de las partículas en una atmósfera que esté sustancialmente

libre de gases atmosféricos. En la sinterización ordinaria esto se obtiene con calor y con la introducción

de gases inertes en los hornos de sinterización [5]. En el espacio, esto ocurre como consecuencia del


27

vacío, mientras que, en la soldadura en frío, esto se consigue con una deformación masiva de la

superficie del cristal. En cada caso, sin embargo, la eliminación de los contaminantes de la super-

ficie expone a la superficie del metal virgen, que tiene un nivel de energía mayor que la energía

interna de la partícula. Entonces, físicamente, los cristales de la superficie de la partícula tienden

a combinarse con esas partículas de contacto para, de este modo, reducir el nivel de energía de la

superficie al nivel de energía interna. Por lo tanto, cuando dos o más superficies de estas caracte-

rísticas están en contacto, se produce una soldadura sobre la superficie de los cristales como en el

enlace por difusión [6].

En particular, la presencia de una capa de óxido en la superficie de la partícula del metal es

ventajosamente utilizada porque se forma un hueco (dieléctrico) entre las partículas adyacentes.

De hecho, cuando se aplica una descarga de alto nivel eléctrico a la muestra por un banco de

condensadores, se genera una chispa. Más adelante se reconoció que se producía una ionización

a través de los huecos de la partícula causando un flujo de corriente. Además, aunque se dijo que

no era una parte crítica del proceso, la temperatura de las chispas alcanzaba los 6000 ºC. El calor

resultante, junto con la presión impulsiva generada dentro del molde por la chispa, teniendo una

densidad de energía del orden de 106 J/cm², desintegraba las superficies contaminantes de las par-

tículas y eliminaba todos los gases atmosféricos, creando así la condición momentánea donde

puede ocurrir el enlace cristalino entre partículas [5].

Las chispas entre partículas terminan en menos de un segundo o dos (dependiendo del mate-

rial trabajado). Fue reseñado que el fenómeno anterior ocurre en menos de unos pocos microse-

gundos de tiempo, mientras que el resto del tiempo de descarga es utilizado completamente por

las estructuras de cristal de las partículas para enlazar por fusión. Tras la chispa de 1 o 2 s, la

corriente eléctrica es ajustada para calentar la masa resultante a una temperatura muy por debajo

del punto de fusión del material para así conseguir enlaces adicionales de cristales de partículas y

una mayor densificación de la masa. Al final del tratamiento, la corriente se desconecta y se aplica

una presión mecánica para conseguir la consolidación final. De este modo, en asunto de segundos

(entre 12 y 15) las partículas de polvo se transforman en partes metálicas con una densidad final

entre el 65% y el 98% de la densidad teórica, que puede ser obtenida controlando los parámetros

de las operaciones del proceso (densidad de la chispa de energía, duración y frecuencia de las

chispas, tamaño de las partículas de polvo, calor o temperatura resistiva y la presión estática ex-

terna). Además, aunque este proceso es muy rápido, se señaló que no era necesaria ninguna at-

mósfera controlada o hacer el vacío [6].


28

2.16. Inoue, 1966

En 1966, Inoue patentó el equipo de sinterización por chispa eléctrica (SS) [5], que fue diseñado para

sinterizar partículas conductoras (mezcladas con no más de un 20% en masa de polvo no conductor).

La fuente de energía suministraba electricidad periódicamente (capacitiva) con impulsos de corriente

en intervalos de 2.5 s, finalmente sustituidos por una corriente continua para mejorar la descarga entre

partículas, tal y como se puede apreciar en la figura 8 [6].


Los experimentos realizados por Inoue se llevaron a cabo utilizando titanio, aluminio, cobalto, wolfra-

mio, molibdeno, carburo de wolframio (WC) y compuestos como titanio endurecido con berilio [6].


El polvo era vertido en una cavidad comprimida por los percutores eléctricos. La frecuencia de la

corriente estaba condicionada por la constante de tiempo de un resistor y de un banco capacitivo. Este

último era cargado periódicamente por la batería y descargado a través del bobinado del transformador

primario cuando el interruptor estaba cerrado. La corriente impulsada, finalmente sustituida por una

batería en corriente continua, era transmitida a los percutores eléctricos para generar la sinterización

por chispa [6].

El esquema del circuito eléctrico desarrollado por Inoue queda representado en la figura 8.

Figura 8. La figura muestra el esquema de un concepto adaptado tomado del circuito eléctrico original del método de la chispa eléctrica.


29

2.16.3. Ventajas

- Se consiguió un grado de densificación alto debido al calentamiento resistivo y a la defor-

mación plástica de la superficie de contacto entre partículas por presión

- Se hizo posible llevar a cabo una sinterización continua

- Se permitió la posibilidad de establecer una densidad específica en el cobalto (8.8 g/cm³)

[6]


- Cambio de corriente de baja a alta frecuencia constantemente

- Ciclo de presión mecánica de dos etapas de valores de presión totalmente dispares

- Vibración axial relativa de al menos un electrodo

2.16.5. Innovaciones

Durante el mismo año, Inoue patentó un método y equipo de un nuevo tipo de sinterización por chispa

basado en la combinación de una ‘corriente eléctrica unidireccional, una corriente alterna a baja fre-

cuencia y una corriente alterna a alta frecuencia, que sustituye a la anteriormente citada corriente uni-

direccional, mientras se produce una chispa entre los electrodos, comprimiendo la masa para enlazar

las partículas. Otro aspecto relevante con relación a la patente de Inoue fue su interés por la aplicación

de una sucesión de corrientes eléctricas impulsivas con la superposición de corrientes periódicas. Sin

embargo, la onda de corriente no estaba especificada. Originalmente, el concepto de ‘corriente impul-

siva’ estaba estrictamente asociado a la chispa para fundir los elementos conductores y no conductores

y a la formación de puentes conductores [6].

Fundamentalmente, el método de Inoue desempeñó dos funciones específicas [6]:

1. Calentamiento de la masa por resistencias a baja frecuencia (100 Hz) y/o por corriente

continua

2. Chispa a alta frecuencia (100 MHz)

La aplicación de un valor pequeño de presión y de corriente impulsiva de alta frecuencia fue

particularmente efectiva en la primera etapa de sinterización. De hecho, promovió chispas y pro-

vocó un rápido calentamiento local en las superficies de contacto de las partículas debido a la alta

resistencia al contacto inicial. Como resultado, la densificación del polvo fue promovida por la


30

combinación de un calentamiento resistivo y una deformación plástica inducida por presión. Esto fue

un nuevo concepto de sinterización, que contrastaba con la actual práctica de la sinterización, para la

cual, la alta presión, minimizaba la resistencia de contacto entre partículas y maximizaba la compac-

tación del polvo. Los elementos sinterizados eran totalmente densos usando un ciclo de presión de dos

etapas [6]:

1. Baja presión para transmitir calor entre partículas (<10 MPa)

2. A esta baja presión, le seguía una aplicación de presión con un valor alto para mejorar la

densificación del polvo.

Estaba corroborado que el aumento de la presión y la desconexión de la fuente de energía eran

también aspectos favorables para mejorar la densificación. En el caso del polvo de cobalto (Ø15 mm

y 5 mm de espesor), la sinterización por chispa condujo a una densidad específica final de 8.8 g/cm³,

tras una descarga a un ritmo de 50 J cada 25 s, con una frecuencia de pulso de 20 MHz, dos descone-

xiones y una presión de hasta 50 MPa [6].

Además, la patente de Inoue realizó una serie de afirmaciones [6]:

- La vibración axial relativa de al menos un electrodo

- Densificación selectiva de una cierta porción del polvo (incrustando elementos altamente

conductores) para concentrar el flujo de corriente

- Sinterización continua

2.17. Parker, 1968

En 1968, Parker patentó un método de sinterización empleando impulsos de corriente de corta dura-

ción, pero de alto nivel energético (por ejemplo, un único impulso de al menos 150 kA/cm² durante 1

ms). La presión era aplicada mediante un aparato transformador de presión, que convertía la energía

eléctrica en presión mecánica. El polvo de hierro puro se colocaba en un anillo de teflón (6 mm de

diámetro interno) y se comprimía con electrodos de cobre. La presión era aumentada automáticamente

de 13 a 20 MPa en 1 ms, siendo la energía específica requerida para sinterizar totalmente el polvo de

hierro de 2000 J/cm³ [6].


En los experimentos llevados a cabo por Parker se empleó hierro puro y titanio, un anillo de teflón y

electrodos de cobre.


31


Mediante la aplicación de la técnica de Parker, se obtuvieron una serie de valores que han sido recogi-

dos en la tabla 13.

Tabla 13. Valores obtenidos en el experimento de Parker

Presión Aumenta de 13 a 20 MPa en 1 ms

Impulso aplicado 150 kA/cm2 durante 1 ms

Energía necesaria para sinterizar

polvo de hierro

2000 J/cm2

2.17.3. Ventajas

- Tiempos de aplicación de corriente y presión mecánica muy bajos (instantáneos).

- Tiempo de procesado menor que en anteriores experimentos


- Intensidades de corriente muy altas.

- Alteración de los valores de presión mecánica de manera instantánea.

2.18. Hetherington, 1969

En 1969, Hetherington empleó un banco de condensadores para producir cuerpos porosos uniformes

de tántalo a partir de partículas de metal de la siguiente manera [6]:

1. Aplicación de presión del orden de 120 MPa

2. Descarga de corriente a 30 kV

3. Sinterización en horno para mejorar las propiedades mecánicas sin ampliar la densifica-

ción.


En sus experimentos, Hetherington utilizó materiales porosos, especialmente tántalo [6].


32


A través de la aplicación de la técnica desarrollada por Hetherington, se obtuvieron un conjunto de

valores que han sido recogidos en la tabla 14.

Tabla 14. Valores experimentales del método de Hetherington

Presión 120 MPa

Voltaje 30 kV

2.18.3. Ventajas

- Se consiguió mejorar las propiedades mecánicas sin afectar al nivel de densificación


- Presiones mecánicas e intensidades de corriente muy elevadas.

2.19. Okazaki, 1990

En 1990, el método de descarga capacitivo de alto voltaje fue exitosamente relanzado por Okazaki

para sinterizar metales, metales refractarios y materiales superconductores. Esta corriente era efectiva

alterando las capas superficiales de óxido de las partículas. De acuerdo con la patente, los sólidos for-

mados con la sinterización de polvos de Al–Fe–V [13] alcanzaron hasta el 95% de la densidad usando

un molde cerámico a una presión de entre 5.6 y 7.8 MPa y una densidad de corriente de 150 kA/cm²

(a 5 kV) en un tiempo de 100 µs [6].


Estos experimentos se llevaron a cabo con metales, metales refractarios y materiales superconductores.


Mediante la técnica desarrollada por Okazaki, se obtuvieron una serie de valores que han sido recopi-

lados en la tabla 15.


33

Tabla 15. Valores obtenidos mediante el experimento de Okazaki

Presión Varía entre 5.6 y 7.8 MPa

Densidad de corriente 150 kA/cm2

Voltaje 5 kV

Tiempo de descarga 100 µs

2.19.3. Ventajas

- Gran diversidad de materiales a los que aplicarles el método

- La corriente aplicada es capaz de alterar las capas superficiales de óxido de las partículas


- Valores de presión y de corriente considerablemente elevados para conseguir una correcta

sinterización

2.20. Knoess y Schlemmer, 1996

Desarrollaron un proceso de sinterización ultrafast operando con descargas de bajo voltaje (<50 V) y

presiones de hasta 1 GPa. El experimento consistía en unir una mezcla de aislantes eléctricos y mate-

riales no magnéticos con polvos conductores compactados. Alternativamente, se usaba un molde con-

ductor revestido por la superficie interior con una capa aislante. Se conseguía una alta densificación

(por encima del 96%) mediante la aplicación de una alta presión (de entre 300 y 700 MPa), de 1 a 3

impulsos de corriente de 100 kA (a 10 V) y en solo 2 o 3 ms. Los compresores estaban hechos de

aleaciones de molibdeno y la matriz estaba compuesta de cerámicos de alta dureza. Como se expuso

en la patente, se comprimía un disco de polvo de hierro de 10 mm de diámetro y 10 mm de espesor

con una presión de 500 MPa. Posteriormente, se aplicaba un impulso de corriente de 86 kA a 10 V en

2.25 ms. La densidad relativa final era mayor al 99.2%. Como los elementos sinterizados mostraban

una fortaleza mecánica comparable a la obtenida por métodos convencionales, se introducían en un

horno de sinterización. Las piezas resultantes gozaban de una alta resistencia y porosidad residual mí-

nima [6].


En estos experimentos se utilizaron fundamentalmente materiales como hierro y cobre.


34


A través de la técnica desarrollada por Knoess y Schlemmer se obtuvieron un conjunto de datos que

han sido recogidos en la tabla 16.

Tabla 16. Valores obtenidos en el experimento de Knoess y Schlemmer

Presión Varía entre 300 y 700 MPa

Tiempo de descarga Puede oscilar entre 0.05 y 50 ms

Voltaje Siempre menor que 30 V

Densidad de corriente 100 kA/cm2

2.20.3. Ventajas

- Valores de densidad muy cercanos a la densidad teórica

- Piezas resultantes con alta resistencia mecánica y mínima porosidad residual


- Necesidad de completar el proceso utilizando un horno para conseguir las propiedades

beneficiosas citadas anteriormente

2.21. K.B. Surreddi y colaboradores, 2009

Este método consistía en producir muestras nanocristalinas mediante la técnica Spark Plasma Sintering

(SPS) utilizando polvo de gas atomizado (Al87Ni8La5) [14].

Las muestras eran de aluminio y la microestructura era cúbica centrada en las caras con fases interme-

tálicas nanométricas.

De este modo, el proceso SPS [5]conlleva la simultánea consolidación y desvitrificación del polvo

amorfo inicial. Las pruebas de temperatura de compresión de las muestras sinterizadas revelan un dato

relevante respecto a la máxima tensión de compresión, acompañado de un gran valor de tensión plás-

tica. Los valores de tensión y dureza decrecen según aumenta la temperatura de sinterización, muy

probablemente como consecuencia del crecimiento del grano.

Las muestras cilíndricas de 10 mm de diámetro y entre 8 y 10 mm de longitud eran producidas por la

consolidación del polvo de gas atomizado en alto vacío por una sinterización por chispa a diferentes


35

temperaturas (573, 643 y 713 K) con una tasa de calentamiento de 10 K/min y una presión aplicada de

500 MPa durante 3 min.

La densidad de las muestras consolidadas era medida usando el principio de Arquímedes y se obtu-

vieron resultados que rondaban el 98% de la densidad teórica [14].


En estos experimentos se utilizaron metales como Aluminio, niquel y lantano.


Mediante el desarrollo de esta técnica se obtuvieron una serie de valores que han sido recogidos en la

tabla 17 [14].

Tabla 17. Valores experimentales del método de K.B. Surreddi et al (2009)

Presión 500 MPa

Temperatura Varía entre 573 y 713 K

Tasa de calentamiento 10 K/min

2.21.3. Ventajas

- Empleado para estructuras nanocristalinas


- Presiones mecánicas elevadas

- Proceso de calentamiento no instantáneo

En los próximos capítulos, se van a analizar distintas técnicas de sinterización clasificadas según dife-

rentes tipos de materiales.


37

3. METALES

Se define un metal como un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la

banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir

fácilmente calor y electricidad (como el cobre) y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que

le da su peculiar brillo.

En los próximos subapartados, se van a describir distintas técnicas de sinterización que han sido

llevadas a cabo con diferentes tipos de metales.

3.1. Aluminio

La primera investigación relacionada con el uso de corriente eléctrica para sinterizar aleaciones de

aluminio fue llevada a cabo en la Unión Soviética mediante la técnica EDS [5] (Electric Discharge

Sintering). En concreto, se utilizaban aleaciones de aluminio con un contenido de cobre de entre el 5.7

y el 30% en masa [13]. Se descubrió que se mejoraba la consolidación si se aumentaba la entrada de

energía (entre 400 y 2500 kJ/kg en total) y se consiguió una densidad con un valor superior al 95% del

valor teórico. Se manifestó que este método es capaz de romper la capa de óxido que cubre los polvos

iniciales consiguiendo así mejorar la adhesión entre partículas.

La consolidación de polvos atomizados de aleaciones de aluminio por el método EDS fue también

investigado. En particular, para el caso de la aleación Al-Cr8-Ti2, la densidad alcanzó el 96% del valor

teórico aplicando una energía de entrada de 4 kJ/g bajo una presión mecánica de 103 MPa. Además,

las observaciones de transmisión microscópica de electrones confirmaron la extracción de las capas de

óxido durante el proceso EDS [7].

3.2. Cobalto

La tecnología SPS se utilizaba para la síntesis de una nueva aleación vítrea de Cobalto (Co65Ti20W15)

partiendo de polvos aleados mecánicamente. La consolidación del método SPS fue llevada a cabo en

una atmósfera de argón a 843 K, empleando un ritmo de calentamiento de 4.95 K/s y una presión

mecánica en un rango de entre 19.6 y 38.2 MPa. La mezcla se consolidaba en 180 s alcanzando de este

modo una densidad relativa por encima del 99.6% del valor teórico. Además, se mantiene la estructura

https://es.wikipedia.org/wiki/Banda_de_valencia

https://es.wikipedia.org/wiki/Banda_de_conducci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_met%C3%A1lico

https://es.wikipedia.org/wiki/Calor

https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad


38

vítrea químicamente homogénea y el producto muestra valores altos de microdureza según el test de

Vickers (entre 8.69 y 8.83 GPa) [7].

Se obtuvieron piezas porosas para uso biomédico (CoCr29Mo6) mediante el método SPS partiendo

de polvos procesados por un electrodo con capacidad para rotar y caracterizados por un rango de

diámetro de entre 610 y 700 mm. Se investigó la influencia de la temperatura en la porosidad de

los productos obtenidos y, se halló que, mediante una variación en la temperatura en el rango de

entre 1023 y 1273 K, la porosidad de la muestra podía oscilar entre el 10.8% y el 39.4% [7].

3.3. Magnesio

Se llevó a cabo un método de sinterización en el que se solidificaba a un ritmo elevado una aleación

de magnesio [15] (tras haber sido triturada en polvos finos) con corriente eléctrica a una temperatura

de 673 K. Los compuestos obtenidos eran expulsados a una barra a una temperatura de 723 K y a una

presión un 40% más pequeña que la necesitada por estas aleaciones. Además, la muestra obtenida, tras

el tratamiento térmico, mostraba una elevada fuerza elástica (350 MPa). De este modo, este proceso,

supone una mejora en la maleabilidad y la tensión elástica de las aleaciones [7].

Se fabricaron también materiales porosos de magnesio por métodos de corriente eléctrica

pulsada, del término inglés Pulsed Electric Current Sintering (PECS) utilizando trozos de alea-

ciones de magnesio como materia prima. Durante estos experimentos, las muestras eran calenta-

das durante 10 min partiendo de temperatura ambiente hasta la temperatura de sinterización (500,

530, 550, 575 y 600 ºC), y luego se mantenían a esta temperatura durante otros 10 min. Se inves-

tigó el efecto de la tasa de poros en las propiedades del material poroso y se halló que la condición

para preparar materiales porosos consistentes usando procesos PECS consiste en utilizar aleacio-

nes que tengan una gran cantidad de compuestos con bajo punto de fusión y un gran rango de

temperatura de estado semi sólido [7].


39

4. ALEACIONES METÁLICAS

En los siguientes subapartados describiremos diversas técnicas de sinterización aplicadas a distintas

aleaciones.

4.1. Nb/Al

La síntesis de la aleación metálica Nb/Al se investigó mediante el método Plasma Activated Sintering

(PAS) utilizando polvos nanocristalinos con una composición de Nb y con un porcentaje atómico de

Al del 15.4%, previamente obtenido por aleación mecánica. El proceso PAS se llevó a cabo con tem-

peraturas de entre 750 y 1250 ºC durante un intervalo de tiempo variando entre 3 y 14 min a una

presión constante de 30 MPa. Al inicio, se llevaban a cabo unos ciclos de descargas eléctricas de 80

ms con una duración total de 30 s [7].

Mediante la técnica SPS, se obtuvieron productos densos de aleaciones de Nb3Al en 3 min me-

diante polvos preparados por hidrogenación (combinando la aleación con hidrógeno a alta tempera-

tura) y deshidrogenación. La consolidación se llevaba a cabo a 1773 K y 1873 K durante 5 min a una

presión de 49 MPa y una tasa de calentamiento de 10 K/min [7].

El método EDS se usó para la densificación de un sistema multifase de Nb con un 23% atómico

de Al preparado por aleación mecánica. Las piezas, que tenían una densidad de entre el 75 y el 85%

del valor teórico, eran primero sometidas a una compactación en frío bajo una presión mecánica de

hasta 450 MPa y, posteriormente, se le aplicaban corrientes de alto voltaje e impulsos de alta densidad

de corriente (tiempo de descarga menor a 500 ms y entrada de energía de entre 0.5 y 1.0 kJ/g). Se

obtenía un sólido con una densidad relativa de entre el 98 y el 99% del valor teórico consistente en una

mezcla de dos fases aleadas de Nb2Al y Nb3Al, con tamaños de grano menores de 32 nm [7].

4.2. Ni/Al

El comportamiento de la consolidación de polvos de niquel y aluminio con tamaño medio de partícula

de 6 µm fue investigado mediante la técnica PAS en un rango de temperaturas de entre 1100 y 1343

ºC, con un tiempo de sinterización de entre 0.5 y 3 min, y bajo una presión mecánica constante de 30

MPa. El proceso de sinterización fue llevado a cabo utilizando corriente continua (variando entre 1000


40

y 4000 A) y estaba precedido por un paso de corriente consistente en 30 s de descarga eléctrica (a 25

V y 750 MPa). Se obtuvieron densidades mayores al 95% del valor teórico a temperaturas por encima

de 1175 ºC y casi la densidad teórica a 1330 ºC. No se observó un crecimiento de grano significante

(entre 2 y 6 µm) durante el proceso debido al corto período de tiempo de exposición de la muestra a

altas temperaturas [7].

La técnica Pulse Plasma Sintering (PPS) fue aplicada a una mezcla de polvos de Ni y Al para

producir NiAl denso. El proceso de síntesis fue llevado a cabo calentando primero la mezcla du-

rante 5 min a una temperatura de 910 K a un ritmo de unos 10 K/s, utilizando impulsos de alta

intensidad de corriente donde el valor de la energía de descarga y el voltaje eran de 1.6 kJ y 4 kV,

respectivamente. La mezcla se mantenía a esta temperatura durante 10 min, siendo la presión me-

cánica aplicada de 30 MPa [7].

4.3. Ir/Nb

La fabricación de una única fase de IrNb mediante la técnica PECS fue investigada partiendo de polvos

elementales de Ir y Nb con índice atómico 3:1. Las mezclas eran sinterizadas al vacío en un rango de

temperaturas de entre 1700 y 2000 ºC, a un ritmo de calentamiento de entre 0.016 y 2.5 ºC/s, con un

tiempo de espera de entre 0 y 4 h y 40 MPa de presión mecánica. A la temperatura de 1900 ºC, se

mejoraba la consolidación aumentando el tiempo de espera, pero este efecto no era significante para

tiempos de espera mayores que 1 h. Al usar polvos elementales como materia prima, las mezclas ob-

tenidas se consolidaban prácticamente al 100%. Sin embargo, el proceso de aleamiento no se comple-

taba durante la sinterización y seguía habiendo Nb puro al final del proceso [7].


41

5. CARBUROS

Los carburos son compuestos que se forman a partir de la unión entre el carbono y un elemento (ge-

neralmente más electropositivo que el carbono) [16].

A continuación, se describirán distintas técnicas de sinterización llevadas a cabo a diferentes tipos de

carburos.

5.1. Fe3C

La síntesis y la consolidación de la cementita mediante la técnica SPS, así como la influencia de la

adición de varios elementos [17] (Cr, Mo, Mn, Ti, Ni y Si) en la fabricación y las propiedades de los

productos resultantes ha sido profundamente investigado en Japón. Se sinterizaban por chispa al vacío

polvos triturados de hierro y grafito mezclados en composiciones de 75% atómico Fe y 25% atómico

C a una temperatura de 1173 K durante 300 s a una presión de 50 MPa. Se obtenía un producto con

una densidad del 98% del valor teórico compuesto por cementita con menores cantidades de otras fases

y un valor de microdureza de Vickers de 1000 HV (número de pirámide de Vickers) [7].

Se observó la formación de la cementita aleada con adiciones de hasta el 5% de Cr, Mo, V y Mn

sin alteraciones notables, mientras que con la presencia de Si, Ni y Ti en la misma cantidad se descubrió

que se mejoraba la descomposición de la cementita durante el envejecimiento [7].

5.2. TiC

Se empleó un método PAS para la densificación de polvos nanométricos de Ti44C56 (3 nm de tamaño

de grano y diámetro promedio de la partícula menor que 4 mm) combinados moliendo polvos elemen-

tales de Ti y grafito [16]. La sinterización fue llevada a cabo al vacío a 1963 K bajo una presión me-

cánica en el rango de entre 19.6 y 38.2 MPa durante 5 min. Se obtuvieron productos totalmente densos

(99.98% del valor de densidad teórica) con tamaño de grano promedio de TiC de aproximadamente

70 nm. Además, los productos obtenidos se caracterizaban por los siguientes valores: 32 GPa de du-

reza, 272.6 GPa de módulo de compresibilidad, 181 GPa de módulo de rigidez, y coeficiente de Pois-

son de 0.261 [7].

Las mezclas de TiC usadas como sustrato para la sedimentación de filamentos a alta temperatura

de diamante fueron fabricadas mediante el método Pulse Discharge Sintering (PDS) utilizando TiC y

https://es.wikipedia.org/wiki/Compuesto

https://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

https://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_qu%C3%ADmico

https://es.wikipedia.org/wiki/Electronegatividad


42

TiH2 como materia prima. Se necesitaron productos porosos para crear más áreas de nucleación,

mejorando de este modo la adhesión de las películas de diamante al sustrato [16]. El método PDS

fue llevado a cabo al vacío a un ritmo de calentamiento de entre 50 y 60 ºC/min, un rango de

temperaturas de entre 1000 y 1200 ºC , 5 min de tiempo de espera y presión mecánica de 50 MPa.

Se descubrió que el sustrato poroso obtenido a 1050 ºC iba acompañado de una ganancia en den-

sidad de nucleación comparado con las mezclas no porosas, así como que la temperatura óptima

del sustrato en términos de mayor ritmo de crecimiento de grano estaba entre 900 y 1000 ºC [7].

5.3. Cr2AlC

La fabricación del compuesto ternario Cr2AlC mediante un método de activación de corriente eléctrica

fue llevada a cabo utilizando tanto polvos finos como gruesos de Cr, Al y C [16]. Los experimentos

fueron realizados con un aparato a una presión de 50 MPa, en un rango de temperaturas de entre 1100

y 1400 ºC durante 5 min, a una tasa de calentamiento de 200 ºC/min. Independientemente del tamaño

de partícula, el producto consistía en Cr2AlC como fase principal, con pequeñas cantidades de Cr7C3

y Cr2Al, cuya presencia disminuía según aumentaba la temperatura [7].

De todos modos, bajo las condiciones óptimas (1400 ºC/5 min/50 MPa), solo estaban presen-

tes trazas de Cr7C como fase indeseada en el producto final. Comparando con otras muestras ob-

tenidas a partir de los mismos polvos, se descubrió que el método de corriente pulsada era capaz

de fabricar materiales casi puros de Cr23AlC en un período de tiempo más corto (5 min en lugar

de 1 h) [7].


43

6. BORUROS

Se le llama boruro a cualquier compuesto binario formado por boro y un elemento más electropositivo,

como puede ser un metal [18].

A continuación, describiremos diferentes técnicas de sinterización aplicadas a distintos tipos de

boruros.

6.1. HfB2

Se investigó la fabricación de HfB2 mediante el método SPS [5]utilizando tanto polvos ya sintetizados

de HfB2 como polvos reactivos de hafnio y boro en cantidades estequiométricas. En concreto, se llevó

a cabo la sinterización del diboruro en un rango de temperaturas de entre 1800 y 1900 ºC, tasa de

calentamiento de 100 ºC/min, tiempo de espera de 10 min y una presión mecánica en un rango de entre

30 y 95 MPa [7]. Sin embargo, la densidad relativa máxima conseguida fue solo del 87% del valor

teórico. Por otra parte, la reacción de síntesis y la simultánea consolidación conseguida con el método

SPS a 1700 ºC, 10 min de tiempo de espera y 95 MPa de presión mecánica consiguieron una densidad

relativa del 98% del valor teórico. Además, fue conseguido un resultado similar cuando el proceso se

llevó a cabo a 1900 ºC sin tiempo de espera [7].

6.2. MgB2

Se han llevado a cabo varias investigaciones para la fabricación del MgB2 [18] superconductor me-

diante la técnica SPS partiendo tanto de polvos elementales de Mg y B. Se sinterizaban los polvos bajo

condiciones de temperatura no especificadas (1060 o 1250 ºC durante 15 min, corriente eléctrica con

una intensidad de 1200 A) con una presión mecánica aplicada de 30 MPa [7].

Con relación a la microestructura del producto, las partículas de MgO eran un 8% del volumen y

se encontraban dispersas en la matriz predominante de MgB2. La muestra obtenida mostraba una in-

tensa capacidad superconductora con una temperatura de arranque de 38.5 K, similar a la del MgB2

monocristalino (39 K) [7].

Se llevó a cabo una investigación similar para obtener materiales superconductores altamente den-

sos procesando polvos de MgB2 utilizando la técnica SPS en un rango de temperaturas de entre 950 y

1050 ºC, un ritmo de calentamiento de unos 200 K/min, un tiempo de procesado de entre 10 y 30 min

https://es.wiktionary.org/wiki/boro

https://es.wiktionary.org/w/index.php?title=electropositivo&action=edit&redlink=1

https://es.wiktionary.org/wiki/metal


44

bajo una presión mecánica aplicada de 50 MPa. El análisis por rayos-X, en inglés X-ray Diffraction

(XRD) reveló que el producto consistía en MgB2 [18]como fase principal con una pequeña cantidad

de MgO. Se consiguió una densidad de más del 99% del valor teórico en la muestra sinterizada tanto

a 1000 ºC durante 30 min como a 1050 ºC durante 10 min [7].

6.3. SiB6

El SiB6 puro [18] (un material que tiene propiedades termoeléctricas excelentes a más de 700 ºC junto

a otras características interesantes) ha demostrado tener una pobre sinterabilidad con técnicas de sin-

terización convencionales mientras que se ha conseguido una consolidación completa mediante la téc-

nica SPS a una temperatura de 1600 ºC [7].

Además, se descubrió que elementos raros como el lantano eran muy efectivos para evolu-

cionar la microestructura de la fase de SiB6 [18], reduciendo de este modo la temperatura de sin-

terización y controlando el crecimiento de grano [7].


45

7. NITRUROS

El nitruro es un compuesto de nitrógeno, donde el nitrógeno tiene un estado de oxidación de -3. Los

electrones excedentes le dan al átomo de nitrógeno una capa cerrada de gas noble [19].

A continuación, describiremos diferentes técnicas de sinterización aplicadas a distintos tipos de

nitruros.

7.1. AlN

Polvos de AlN (tamaños de partícula de 0.44 ± 0.08 µm) sin aditivos eran consolidados a casi la den-

sidad teórica (hasta el 99.3% de la teórica) en 5 min a 1730 ºC bajo una presión mecánica de 50 MPa

mediante una técnica PAS [19].

El tamaño inicial de partícula de los polvos de AlN se conservaba en la microestructura final, que

consistía en granos policristalinos con un tamaño medio de 0.77 ± 0.1 µm. La utilización del proceso

PAS para consolidar polvos de AlN a casi completamente la densidad teórica, (entre el 97 y el 99%)

en un tiempo variando en un rango de entre 5 y 10 min, fue también investigado por Hensley. El

proceso consiste en un impulso de activación, seguido de una sinterización a una temperatura que

rondaba los 1750 ºC, utilizando calentamiento por resistencia en molde de carbón [7].

Se consolidaron casi a densidad teórica polvos de AlN con un tamaño medio de 0.44 µm con bajo

contenido de oxígeno (<1% en masa) tanto al aire como al vacío y sin la utilización de pegamentos.

La evaluación mediante la técnica de transmisión microscópica de electrones, del término inglés

Transmission Electron Microscopy (TEM) reveló una estructura de grano inferior al micrómetro (apro-

ximadamente 0.77 µm) sin poros ni fases intergranulares. Mediante rayos X se descubrió que no había

fases cristalinas secundarias. Cuando la sinterización se llevaba a cabo a 1800 ºC se descubrió que en

las fronteras de grano había contacto entre partículas [7].

7.2. Si3N4

La densificación de polvos de nitrógeno y silicio fue explicada por Nishimura. Se descubrió que la

técnica SPS hacía posible la preparación de materiales densos (de hasta el 98.5% de la densidad teórica)

más rápidamente y a temperaturas mucho más bajas en comparación con el método convencional de

presión, minimizando de este modo el crecimiento de grano durante el proceso. Schneider, utilizando

https://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno

https://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_oxidaci%C3%B3n


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el método PAS, consiguió sinterizar polvos de nitrógeno y silicio de tamaño inferior al micrómetro, a

una densidad superior al 99% de la teórica y a una temperatura de 1750 ºC en menos de 5 min, man-

teniendo el tamaño de grano [19].

Los polvos de nitrógeno y silicio fueron sinterizados con los siguientes aditivos:

- 5% en masa de Y2O3

- 5% en masa de Y2O3 + 5% de MgAl2O4

La técnica de los aditivos en el método SPS es favorable para el mantenimiento de microes-

tructuras finamente granuladas que favorecen la deformación plástica.

El método PAS fue también investigado por Schneider utilizando nitruro de sílice con varios

óxidos como aditivos. Se creía que la efectividad del método PAS era dependiente de la naturaleza

dieléctrica de los óxidos. Según se excedía la capacidad de almacenamiento del dieléctrico, se

generaban altas temperaturas entre las partículas del polvo y se soltaba la energía eléctrica [7].

7.3. TiN

Wang llevó a cabo la sintetización de polvos de TiN [19]con un tamaño medio de partícula de 19 nm

mediante una reducción de la reacción de nitración en líquido de amonio partiendo de TiCl4. Poste-

riormente, fue aplicado un proceso de consolidación utilizando el método SPS manteniendo una pre-

sión mecánica constante de 60 MPa tras alcanzar los 1000 ºC. La temperatura final se mantenía a 1380,

1430, 1480 y 1510 ºC durante 1 min, respectivamente. Se obtenía un compuesto cerámico denso de

TiN (con densidad superior al 98% de la teórica) con tamaño medio de grano de entre 100 y 150 nm a

1380 ºC [7].

Partículas de TiN y sialon-beta producían materiales cerámicos con redes de TiN de entre 0.1

y 0.5 mm de ancho a 1500 ºC, pero con granos de TiN de entre 0.1 y 2.0 µm de tamaño aislados

en la matriz de sialon a 1600 ºC. Eran sometidos a la técnica SPS a una temperatura de 1500 ºC,

alcanzando de este modo una densidad superior al 95% de la teórica, independientemente de la

cantidad de TiN.

Los materiales cerámicos TiN/sialon mostraban una resistividad eléctrica más baja (de unos

10ˉ³ Ω·cm) haciéndolos apropiados para descargas eléctricas.

Las fases de TiN con Al añadido eran, en primer lugar, preparadas mediante una mezcla de

polvos de Ti y Al mediante la técnica SHS en una atmósfera de nitrógeno, y luego consolidados a

materiales densos (densidad superior al 97% de la teórica) mediante sinterización por corriente


47

eléctrica pulsada. Aumentando la adición de Al, se conseguían unas temperaturas de sinterización óp-

timas inferiores, acompañadas de una reducción de tamaño de grano [7].


48

8. SILICIOS

El silicio es un elemento químico considerado como semimetal, número atómico 14 y situado en el

grupo 14 de la tabla periódica de los elementos de símbolo Si .

En los siguientes subapartados, se van a describir diversas técnicas de sinterización aplicadas

a distintos compuestos con silicio.

8.1. MoSi2

Mediante la técnica PAS se sintetizaron y consolidaron simultáneamente polvos de Mo y Si para for-

mar MoSi2. Se producía MoSi2 altamente denso en un paso (hasta el 99.2% de la densidad teórica).

Se obtenía MoSi2 con pocas inclusiones de SiO2 mediante la síntesis de polvos mezclados de

Mo y Si. El efecto de la activación mecánica en la síntesis de MoSi2 nanométrico fue investigado

por Orrù [7].

Polvos de Mo y Si, molidos por separado, reaccionaban mediante la técnica SPS bajo dife-

rentes condiciones eléctricas. Los polvos molidos reaccionaban más rápido y requerían menos

corriente que los polvos sin moler.

Las mezclas de polvos que eran molidas por separado (a tamaño nanométrico) reaccionaban

mediante la técnica SPS para producir α-MoSi2 micrométrico. Se obtuvieron resultados similares

para mezclas semi-molidas para producir reactivos nanométricos que no contenían reseñables can-

tidades de fase de producto. Cuando los productos se formaban durante el molido, contienen ambas

modificaciones del MoSi2 (alfa y beta). El producto obtenido tras la sinterización SPS era MoSi2

nanométrico, con un tamaño de cristal de 140 nm [7].

8.2. FeSi2

Katsuki desarrolló materiales pesados porosos de FeSi2 para la conversión de elementos termoeléctri-

cos mediante un proceso SPS.

Durante el proceso de sinterización, se pegaban con firmeza electrodos de malla de plata a la

superficie de los productos a sinterizar, mientras se aplicaba una potencia termoeléctrica de entre

0.5 y 0.7 mV/K, a una temperatura que variaba entre 300 y 500 K, y se obtenía una resistividad


https://es.wikipedia.org/wiki/Semimetal

https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_at%C3%B3mico

https://es.wikipedia.org/wiki/Carbonoideos

https://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementos


49

interna de 3.99*10ˉ³ Ωm. Con lo cual, mostró un gran potencial para el uso en la generación de poten-

cia mediante combustión de gas e intercambio de calor.

Se fabricaron muestras de β-FeSi2 totalmente densas y porosas utilizando el método PECS. Eran

recocidas a 1173 K durante 5 días para obtener la fase β-FeSi2. También se investigó la resistencia de

oxidación de la fase β-FeSi2 a temperaturas en un rango de entre 1073 y 1223 K. La capa de óxido,

que lo más probable es que fuera SiO2, se formaba en las muestras de β-FeSi2 tras la oxidación, tal y

como revelaron los resultados de los rayos X. Se desarrollaron estructuras granulares de ε-FeSi bajo la

capa de óxido como resultado de la oxidación de la fase β-FeSi2, sin observarse oxidación en las fron-

teras de grano [7].

No se observaron formaciones de grietas ni en las capas de SiO2 ni de β-FeSi2, incluso en las

muestras porosas. Las aleaciones de Fe2Si5 eran fabricadas mediante la técnica SPS y posteriormente

tratadas térmicamente. Se obtenía una estructura de dos fases consistente de β-FeSi2 y de Si disperso

mediante la descomposición eutectoide de la fase α-Fe2Si5 durante el recocido [7].

8.3. Si3Zr5 y Si3Ti2Zr3

Se obtuvieron piezas completamente densas de Si3Zr5 y Si3Ti2Zr3 mediante el método PECS partiendo

de polvos producidos mediante soldadura eléctrica y machacados mediante un molino de bolas durante

3 h. Tras 5 min de sinterización a 1600 ºC a una presión de 50 MPa, la dureza de Vickers del Si3Zr5 y

del Si3Ti2Zr3 a la temperatura de la sala era de 14.9 y 15.9 Gpa respectivamente. Por otro lado, la

resistencia a la fractura era de 2.5 y 3.6 MN*mˉ1/2 [7], respectivamente.

8.4. ReSi1.75

La síntesis y la sinterización del ReSi1.75 fueron llevadas a cabo simultáneamente mediante el método

SPS utilizando una mezcla de polvos elementales de Re y Si. Además, se observó mediante pruebas

de oxidación llevadas a cabo a temperaturas de entre 773 y 1473 K, la formación de una capa protectora

de sílice a partir de los 1273 K en adelante [7].


50

9. ÓXIDOS

Un óxido es un compuesto químico, formado por al menos un átomo de oxígeno y un átomo de algún

otro elemento. El átomo de oxígeno normalmente presenta un estado de oxidación (-2).

A continuación, se van a describir distintas técnicas de sinterización aplicadas a diferentes óxi-

dos.

9.1. Titanatos

Se fabricaron cerámicos matizados como Na0.21Nd0.60TiO3 con partículas en forma de lámina mediante

el método SPS a 1250 ºC durante 5 min a una presión mecánica de 40 MPa. Los polvos iniciales de

estos cerámicos eran sintetizados mediante capas suaves de sustancias químicas de Na2Nd2Ti3O10.

La muestra obtenida mediante este proceso mostraba un grado de orientación 0 0 1 y an-

isotropía en las propiedades dieléctricas en las direcciones paralela y perpendicular al eje de apli-

cación de presión [7] [20].

Se obtuvieron cerámicos densos como Ca1-xSrxTiO3 con Li2Si2O5 (entre el 0.5 y el 1.5% en

masa) como aditivo mediante un proceso SPS a 1170 ºC durante 4 min a una presión mecánica de

40 MPa. Se consiguió una densidad relativa del 96% del valor teórico para mezclas que contenían

un 0.5% en masa de Li2Si2O5. En general, el módulo de ruptura, la resistencia a la fractura y la

dureza Vickers eran valores más altos en estas mezclas que utilizando otro tipo de aditivos. Ade-

más, se consiguió una notable mejora en las propiedades dieléctricas [7].

Se prepararon también cerámicos totalmente consolidados de LiLaTiO3 mediante una técnica

SPS a temperaturas variando en un rango de entre 1100 y 1200 ºC bajo una presión mecánica de

39 MPa. Las muestras obtenidas mediante este proceso a 1100 ºC mostraban una alta conductivi-

dad de ion de litio.

Se obtuvieron cerámicos densos de BaTiO3 de tamaño de grano pequeño (<0.6 µm) mediante

la técnica SPS partiendo de polvos mucho más pequeños (0.06 µm) preparados hidrotérmica-

mente. La sinterización fue llevada a cabo aplicando una corriente eléctrica de alrededor de 1000

A bajo una presión mecánica de 50 MPa. La temperatura se iba aumentando a 900, 1000, 1100 y

1200 ºC, a una tasa de calentamiento de unos 160 ºC/min, y luego se mantenían a esa temperatura


https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo

https://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_oxidaci%C3%B3n


51

durante 5 min, obteniéndose densidades relativas mayores del 95% del valor teórico a una temperatura

superior a 1100 ºC [7].

Las muestras sinterizadas mostraban una microestructura fina con un tamaño de grano promedio

de menos de 0.5 µm. Se midió una baja constante dieléctrica (entre 300 y 3500) en un rango de tem-

peraturas de entre 25 y 300 ºC.

También se afirmó que mediante el método SPS utilizado para consolidar polvos de BaTiO3 de

entre 0.1 y 0.5 µm de tamaño durante 5 min en el mismo rango de temperaturas (entre 900 y 1200 ºC)

partiendo de polvos de BaTiO3 de 0.06 µm de tamaño, pero a una presión más baja (de unos 39 MPa),

dio lugar a obtener densidades relativas mayores al 95% por encima de 1000 y 1100 ºC, respectiva-

mente [20].

Las muestras sinterizadas estaban formadas principalmente por granos de entre 0.3 y 1 µm, de-

pendiendo de la temperatura de sinterización, y, en general, el tamaño de grano aumentaba con la

temperatura. Por otra parte, las muestras sinterizadas mediante calentamiento convencional en un

horno mostraban una densidad más baja (entre el 80 y el 92% del valor teórico) y el tamaño de grano

era superior a 1 µm. Además, las medidas de la constante dieléctrica a una frecuencia constante mos-

traron un valor ligeramente superior para cerámicos procesados mediante la técnica SPS a partir de

BaTiO3 de 0.5 µm de tamaño de grano comparado con las muestras de 0.1 µm de tamaño de grano. Se

descubrieron diferencias más notables comparando el valor de la constante dieléctrica entre las mues-

tras sinterizadas mediante el método SPS (7000 a 1100 ºC) y las sinterizadas convencionalmente (al-

rededor de 5000). El mayor valor de esta constante dieléctrica de los cerámicos sinterizados mediante

la técnica SPS fue atribuido a su mayor densidad y a la restricción del aumento del tamaño de grano

[7].

9.2. Ferritas

Se prepararon núcleos laminados compuestos por Mn-Zn y Ni-Zn-Cu mediante la técnica SPS. Espe-

cíficamente, los polvos de ferrita de Mn-Zn eran sinterizados a 1000 ºC bajo una presión de 0.16 tf/cm2

durante 30 min. Se obtuvieron muestras de ferrita con superficie lisa y sin huecos.

Por otra parte, se fabricó un núcleo laminado utilizando una aleación magnética de ferrita de Ni-

Zn-Cu a una temperatura de 900 ºC. El núcleo de ferrita Mn-Zn mostraba unas propiedades magnéticas

suaves. Los núcleos laminados estaban saturados magnéticamente y mostraban una alta permeabilidad

a alta frecuencia.


52

Polvos de de Fe2CoO4, sintetizados mediante un método de precipitación, fueron consolida-

dos mediante la técnica SPS a una temperatura que variaba entre los 800 y los1000 ºC (tasa de

calentamiento de 100 ºC/min) durante 5 min bajo una presión mecánica de 40 MPa [7].

Tras la sinterización, el Fe2CoO4 con estructura de espinela fue obtenido con una pequeña

cantidad de fase de CoO [20]. Aunque los polvos procesados eran sinterizados a temperaturas más

bajas (700 y 800 ºC), y resultaban en densidades más altas (entre el 98 y el 99% del valor teórico),

el tamaño de la cristalita y de la fase de la espinela obtenidas tras la técnica SPS eran mayores (67

y 133 nm, respectivamente) que los obtenidos para los polvos tratados térmicamente (31 y 28 nm

a 800 y 900 ºC, respectivamente). Específicamente, las muestras obtenidas a partir de los polvos

sinterizados a 900 ºC mostraron mejores resultados en términos de densidad (91% del valor teó-

rico), tamaño de grano (28 nm) y estructura [7].

También se fabricaron compuestos densos de (NiZn)/Fe2O4 con tamaño de grano fino y uni-

forme mediante la técnica SPS utilizando una corriente eléctrica de 600 A bajo una presión me-

cánica de 20 MPa. Durante este procedimiento, la temperatura aumentó a 900 ºC a un ritmo de

alrededor de 30 ºC/min (controlado por la corriente aplicada) y fue mantenido durante un intervalo

de tiempo de entre 0 y 5 min. Se obtuvo así una densidad relativa superior al 98% del valor teórico

en todas las muestras. Este resultado fue bastante distinto al obtenido mediante la sinterización

convencional, en el que la densidad alcanzada era solo del 95% del valor teórico tras 4 h a 1150

ºC. Se descubrió que el tamaño de grano de las muestras procesadas mediante la técnica SPS

aumentaba con el tiempo de espera [7].

De este modo, un tiempo de espera breve era un factor esencial para obtener compuestos de

(NiZn)/Fe2O4 consolidados con grano fino y uniforme. Se obtuvieron muestras con alta saturación

magnética y alta fuerza coercitiva a 900 ºC durante 5 min.

9.3. (Na/k)NbO3

La empresa ‘Sumitomo Metal Mining Company’ preparó el compuesto (Na/K)NbO3 mediante la téc-

nica SPS a 1100 ºC (tasa de calentamiento de 150 ºC/min) durante 3 min bajo una presión mecánica

aplicada de alrededor de 60 MPa. Tras ser llevado a cabo un recocido al aire a 950 ºC durante 5 h, se

obtenía una muestra cremosa blanca con estructura ortorrómbica y una densidad relativa del 98% del

valor teórico. El tamaño de grano resultante estaba en un rango de entre 2 y 7 µm. Si se aumentaba el


53

contenido de potasio, se descubrió que el tamaño de grano aumentaba. En comparación con las mues-

tras preparadas por presión con calor, las muestras sinterizadas mediante la técnica SPS mostraban

mejores propiedades dieléctricas y piezoeléctricas [7].

El cerámico piezoeléctrico Na0.5K0.5NbO3 era preparado mediante la técnica SPS a 920 ºC

(tasa de calentamiento de 100 ºC/min) bajo una presión mecánica de 50 MPa. Se obtuvieron muestras

consolidadas (99% del valor teórico) con estructura de perovskita caracterizadas por un tamaño de

grano promedio de entre 200 y 500 nm. A través de un posterior tratamiento de recocido, este com-

puesto cerámico sinterizado mediante la técnica SPS mostraba características piezoeléctricas y fe-

rroeléctricas [20].

Considerando el cerámico NaxK1-xNbO3 con x variando entre el 20 y el 80% molar, se consiguió

también la consolidación mediante la técnica SPS a 920 ºC, con una tasa de calentamiento de 100

ºC/min, bajo una presión mecánica aplicada de 50 MPa y 5 min de tiempo de aplicación. Todas las

muestras sinterizadas mostraban la misma estructura ortorrómbica. En general, la densidad relativa de

este compuesto disminuía al aumentar el contenido de Na, desde el 99% para las muestras ricas en K

hasta el 92% en las muestras ricas en Na. El tamaño de grano variaba entre 200 y 500 nm y tendía a

disminuir aumentando el contenido de Na [7].

9.4. Óxidos basados en el compuesto Al2O3

Los cerámicos Al2O3 fueron consolidados mediante la técnica SPS a temperaturas en un rango de entre

1350 y 1700 ºC (tasa de calentamiento de 600 ºC/min) a 40 MPa, sin un tiempo de aplicación exacto.

Se hizo también una comparación con la sinterización sin presión mecánica. Se descubrió que se con-

seguían densidades cercanas al valor teórico con muy cortos períodos de tiempo (<3 min). Además,

para temperaturas por debajo de 1550 ºC, las muestras obtenidas mediante esta técnica eran más densas

que las consolidadas por métodos convencionales de sinterización sin presión a la misma temperatura,

pero para tiempos de procesamiento mayores (2 h) [7].

En general, se obtenían cerámicos altamente densos a temperaturas de sinterización más bajas

mediante la técnica SPS (unos 100 ºC menos) que los cerámicos obtenidos mediante la técnica de

sinterización sin presión mecánica, del término inglés Presureless Sintering (PLS), siendo esta dife-

rencia disminuida gradualmente al incrementar la temperatura. Por encima de los 1550 ºC no se ob-

servaba apenas diferencia. Sin embargo, las muestras obtenidas mediante la técnica SPS mostraban

una microestructura más homogénea y mejores propiedades mecánicas [20].


54

También se afirmó que la aplicación de impulsos eléctricos mejoraba la consolidación del

Al2O3, y que el nivel de mejora dependía de la secuencia de impulsos. Específicamente, cuando

se usaba un ciclo de impulsos a 293, 473, 773 y 1273 K, se obtuvieron muestras puras de alúmina-

α con una densidad relativa del 98% del valor teórico en 8 min a 1573 K. Las muestras sinterizadas

mostraban una estructura cristalina, con un tamaño de grano promedio de 0.7 µm [7].

Se consolidaron polvos de Al2O3 con cuatro tamaños de partícula diferentes (31.40, 3.46, 0.4

y 0.33 µm) mediante la técnica SPS a 1550 ºC, con una tasa de calentamiento variando entre 20 y

300 ºC/min, durante un tiempo que podía oscilar entre 0 y 30 min y con presiones mecánicas

aplicadas de entre 20 y 40 MPa. Se descubrió que el tamaño de partícula de los polvos iniciales

jugaba un papel importante en el proceso de sinterización SPS, en el que la densidad relativa au-

mentaba reduciendo el tamaño de partícula bajo condiciones de sinterización iguales. Se descubrió

también que la densidad relativa aumentaba si se incrementaba el tiempo de procesamiento [7].

En particular, mediante la sinterización a 1550 ºC (tasa de calentamiento de 200 ºC/min) bajo una

presión mecánica de 30 MPa y sin tiempo de espera, la densidad relativa aumentaba del 92 al 99% del

valor teórico, mientras que el tamaño de partícula disminuía de 3.46 a 0.33 µm. Además, la densidad

relativa de las muestras (con polvos iniciales de 3.46 µm) aumentó del 92 al 99% del valor teórico con

el incremento del tiempo de proceso de 10 a 30 min. Se observó una microestructura no homogénea,

siendo el borde de las muestras más denso que el interior a 1550 ºC para tiempos de proceso de 10 min

[7].

El efecto de la tasa de calentamiento y la carga aplicada en el comportamiento de la consoli-

dación del Al2O3 fue también examinado. Se observó un crecimiento de grano anormal cuando se

aplicaba una tasa de calentamiento más lenta. En particular, las muestras obtenidas a partir de

polvos de 0.33 µm mostraban un gran crecimiento de grano en forma de plato (>180 µm en el

borde superior y 60 µm en el borde lateral) cuando se llevaba a cabo la sinterización a 1550 ºC, a

una presión mecánica de 30 MPa y con un ritmo de calentamiento tan bajo como 5 ºC/min. Por

otra parte, cuando se llevaba a cabo la sinterización con un ritmo de calentamiento de 200 ºC/min

se inhibía el crecimiento de grano, dando como resultado granos más homogéneos y semejantes.

Se descubrió que aumentando la presión mecánica se mejoraba la densificación [7].

Los materiales cerámicos porosos de Al2O3 con alta solidez fueron fabricados exitosamente

a partir de Al2O3 con distinto contenido de grafito mediante la técnica SPS. El grafito era consu-

mido posteriormente. Se obtuvieron altos valores de porosidad (entre el 50 y el 57%) en mezclas

que contenían entre un 10 y un 30% en volumen de grafito cuando se sinterizaban a 1100 ºC, bajo

una presión mecánica aplicada de 30 MPa durante 3 min, mediante una tasa de calentamiento de


55

80 ºC/min. Se descubrió que los poros de tamaño inferior al micrómetro disminuían según se aumen-

taba la temperatura de sinterización de 900 a 1100 ºC [7].

Con el fin de investigar el efecto de los parámetros de sinterización (temperatura, presión y tasa

de calentamiento) en las propiedades del Al2O3 [20]poroso, se llevaron a cabo diversos experimentos

según la técnica PECS partiendo de una mezcla de Al (0.23 µm) y 10% en masa de carbón negro (20

nm), en las siguientes condiciones de sinterización:

1. Temperatura: 1400 ºC; Tiempo de remojo: 5 min; Presión mecánica aplicada: 5.5 MPa;

Tasa de calentamiento: 100 ºC/min.

2. Temperatura: 1500 ºC; Tiempo de remojo: 5 min; Presión mecánica aplicada: 5.5 MPa;


3. Temperatura: 1500 ºC; Tiempo de remojo: 5 min; Presión mecánica aplicada: 15 MPa;


4. Temperatura: 1500 ºC; Tiempo de remojo: 5 min; Presión mecánica aplicada: 15 MPa;


Las piezas obtenidas mediante estas sinterizaciones al vacío eran posteriormente tratadas térmica-

mente a diferentes temperaturas en un rango entre 800 y 1300 ºC, durante más de 10 h [7].

Se llevó a cabo también un estudio sistemático de varios parámetros de sinterización (temperatura,

tiempo de proceso, tasa de calentamiento, presión y secuencia de impulsos) para investigar su efecto

en la consolidación, en la cinética del crecimiento de grano, dureza y resistencia a la fractura de una

muestra de Al2O3 (0.4 µm de tamaño de grano).

Se descubrió que el método SPS mejoraba tanto la densificación como el crecimiento de grano y fue

posible conservar la estructura original de grano fino en piezas totalmente consolidadas, evitando una

temperatura de sinterización demasiado alta. Específicamente, fueron obtenidas muestras totalmente

densas (99.3% del valor de densidad teórico) mediante la técnica SPS a 1250 ºC (tasa de calentamiento

de 150-200 ºC/min), con un tiempo de procesamiento de 3 min, bajo una presión mecánica aplicada de

50 MPa. Para temperaturas de sinterización inferiores a 1250 ºC, se producía un crecimiento de grano

limitado (entre 0.8 y 1 µm), mientras que a una temperatura más alta el tamaño de grano aumentó sig-

nificativamente de 1 a 27.5 µm. Por otra parte, la presencia del 0.1% en masa de MgO dificultaba nota-

blemente el crecimiento de grano para temperaturas superiores a 1250 ºC (entre 0.9 y 16.5 µm) [7].


56

9.5. Óxidos de Zr

Se investigaron varias condiciones de sinterización del método SPS para obtener muestras de electro-

litos de dióxido de circonio con una densidad cercana al valor teórico. Específicamente, se consolidó

polvo de dióxido de circonio con un tamaño de 50 nm a una densidad relativa del 99.1% del valor

teórico a 1400 ºC, con una presión mecánica uniaxial de 23 MPa, y un total de cuatro ciclos de sinte-

rización consecutivos de 3 min de duración cada uno [20].

Se descubrió que el tamaño de grano de las muestras sinterizadas mediante el método SPS

era mayor pero también más uniforme que el de las muestras sinterizadas por el método conven-

cional. Además, la conductividad iónica también se veía mejorada en las muestras sinterizadas

mediante la técnica SPS [20].

La técnica SPS fue también utilizada para consolidar ZrO2 granulado (disponible comercial-

mente) a temperaturas en el rango de entre 950 y 1200 ºC (tasa de calentamiento de 50 ºC/min),

con un tiempo de procesamiento variando entre 5 y 180 min, bajo una presión mecánica aplicada

de 100 MPa. Se obtuvieron dos tipos de microestructuras:

- Materiales porosos, caracterizados por una porosidad abierta, con tamaño de grano pro-

medio de 80 nm y con una densidad relativa variando entre el 61 y el 90% y fueron pre-

parados a una temperatura de 1050 ºC con un tiempo de procesamiento de 15 min.

- Por otra parte, se obtuvieron materiales densos caracterizados por una porosidad cerrada,

tamaño de grano promedio de 80 nm y alta densidad relativa (entre el 90 y el 98% del

valor teórico) cuando eran sinterizados a temperaturas de entre 1125 y 1200 ºC. Sin em-

bargo, cuando la temperatura se fijaba en 1050 ºC, se empleaba un tiempo de procesa-

miento de 60 min. También se fabricaban muestras totalmente densas con tamaños de

grano de unos 160 nm a una temperatura de 1200 ºC y 3 h de tiempo de procesamiento

[7].

Por otro lado, se sinterizaron polvos de tamaño nanométrico de ZrO2 con un 3% molar de

Y2O3 mediante un método de precipitación utilizando la técnica SPS, a una temperatura situada en

un rango de entre 1050 y 1500 ºC, con una tasa de calentamiento de 600 ºC/min, bajo una presión

mecánica aplicada de 40 MPa durante un intervalo de tiempo de entre 1 y 10 min. Se obtuvieron

muestras con una densidad muy alta (más del 98% del valor teórico) cuando eran sinterizadas a

1300 ºC durante 3 min, mientras que la densidad teórica era alcanzada a una temperatura de 1400

ºC. Se descubrió también que era posible alcanzar una densidad más alta (99% del valor teórico)

mediante la técnica SPS a una temperatura más baja (1180 ºC), en un período de tiempo más corto


57

(9 min de tiempo de procesamiento), en comparación con el método de presión en caliente (96% de

densidad relativa, temperatura de 1250 ºC y 30 min de tiempo de procesamiento), bajo niveles de

presión similares. No se observó ningún gradiente de densificación a 1100 ºC en las muestras proce-

sadas mediante la técnica SPS, en comparación con las sinterizadas a la misma temperatura mediante

presión en caliente (presión de 80 MPa y tiempo de procesamiento de 10 min). Además, comparando

las muestras procesadas mediante la técnica SPS (3 min de tiempo de proceso) con las de sinterización

sin presión (2 h de tiempo de procesamiento), el tamaño de grano resulta menor en las primeras, así

como la velocidad de crecimiento de grano mucho mayor [7].

Se consolidaron a casi el valor de densidad teórica polvos de Y2O3 (8% molar)-ZrO2 mediante un

aparato de sinterización SPS bajo una presión mecánica aplicada de 30 MPa, a temperaturas variando

en el rango de entre 1100 y 1300 ºC (tasa de calentamiento de 160 ºC/min), y para tiempos de espera

más cortos (entre 5 y 10 min), en comparación con la sinterización convencional en hornos, en los que

se daban temperaturas de 1600 ºC, presiones de 190 MPa y tiempos de espera de 2 h. Además, las

muestras procesadas mediante la técnica SPS mostraban mayor resistencia al doblado (400 MPa) a la

temperatura de la sala en comparación con las muestras sinterizadas mediante métodos convencionales

(250 MPa). Esta mayor resistencia al doblado es explicada por su tamaño de grano, que es inferior a

la de las muestras sinterizadas por métodos convencionales [7].

La sinterización de Y2O3 con dióxido de circonio fue ampliamente investigada mediante la técnica

SPS bajo una presión mecánica uniaxial con valores variando en un rango de entre 15 y 141 MPa, con

diferentes tasas de calentamiento (en un rango de entre 50 y 300 ºC/min), y con distintos tiempos de

sinterización y temperaturas variando en unos intervalos de entre 0 y 25 min y entre 600 y 1400 ºC,

respectivamente. Se descubrió que la tasa máxima de densificación ocurría a 1200 ºC, dando como

resultado circonio totalmente denso con un tamaño de cristalita menor que 100 nm. La tasa de calen-

tamiento y la duración del proceso de sinterización no afectaba a la densidad final y al tamaño de

cristalita. Por otra parte, cuanta más presión se aplicaba, mayor era la densidad, sin afectar al tamaño

de cristalita para temperaturas de sinterización de 1200 ºC y tiempos de espera de 5 min [7] [20].

9.6. Óxidos de circonio y aluminio

Una mezcla de polvos generados por un método de precipitación heterogénea de SiC (5% en masa) –

ZrO2 (15% en masa) – Al2O3 fueron consolidados mediante la técnica SPS. La consolidación fue lle-

vada a cabo a diferentes temperaturas, que se encontraban en un rango de entre 1350 y 1600 ºC, con


58

una tasa de calentamiento de 600 ºC/min, bajo una presión mecánica aplicada de 40 MPa. Se obtuvie-

ron muestras con una densidad muy cercana al valor teórico a 1450 ºC, mientras que mediante la sin-

terización utilizando la técnica EDS se necesitaba una temperatura de 1650 ºC y un tiempo de remojo

de 1 h. Las muestras sinterizadas a 1450 ºC tenían una mayor dureza Vickers (18 GPa). La resistencia

al doblado era de 1.2 GPa, que es mucho más alta que la del Al2O3 monolítico y la de los cerámicos

ZrO2 - Al2O3. Además, mediante la investigación de la microestructura se descubrió que las partículas

de tamaño nanométrico de SiC estaban localizadas principalmente dentro de los granos de Al2O3, a

pesar de que se observó que el modo de fractura era transgranular [7].

El método PECS fue utilizado para fabricar compuestos nanométricos de Y2O3 (3% molar) –

ZrO2 (10% molar) – Al2O3 partiendo de polvos gelatinosos sintetizados. El comportamiento de

esta sinterización fue investigado calentando los polvos iniciales en un aparato de sinterización por

chispa a temperaturas que variaban entre 1100 y 1500 ºC (tasa de calentamiento de 100 ºC/min)

durante 10 min bajo una presión mecánica aplicada de 500 MPa. Se obtenían piezas totalmente

densas (densidad mayor al 98% del valor teórico) por encima de los 1300 ºC. También se descubrió

que las piezas consolidadas con Al como fase secundaria, mostraban tamaños de grano más pe-

queños en la matriz (menor de 100 nm), en comparación con el Y2O3 - ZrO2 (que mostraba tama-

ños de grano superiores a los 130 nm), debido a que las inclusiones de aluminio suprimían el cre-

cimiento de grano [7].

El método SPS fue aplicado en muestras de polvo de ZrO2 (Y2O3) – 20% molar de Al2O3

nanocristalino (15 nm) a diferentes temperaturas variando en un rango de entre 1250 y 1500 ºC

(tasa de calentamiento de 600 ºC/min), bajo una presión mecánica aplicada de 40 MPa. Se alcan-

zaba una densidad total a 1350 ºC en 2 min mediante la sinterización SPS. Se llevaba a cabo en

condiciones bastante distintas en comparación con el método convencional de presión con calor,

donde se alcanzaba una densidad relativa del 98% del valor teórico cuando se llevaba a cabo una

sinterización a 1400 ºC durante 45 min, bajo una presión mecánica aplicada de 30 MPa [7].

9.7. SiO2

Se fabricó cristal de sílice transparente y libre de burbujas visibles mediante un método PECS apli-

cando durante 2 min una presión uniaxial de 20 MPa, en un rango de temperaturas de entre 1773 y

1873 K, con una tasa de calentamiento de 50 K/min, a partir de partículas finas de SiO (70 µm). Di-

versas investigaciones en las propiedades físicas, mecánicas y ópticas revelaron que la sílice obtenida


59

mediante este método PECS tenía la misma densidad, índice refractivo, módulo elástico y absorbancia

que las sílices fundidas [7].

9.8. Mullita

Un compuesto de mullita densa, amorfa y translúcida fue fabricada mediante la técnica SPS a 1300 ºC

(tasa de calentamiento de 100 ºC/min) bajo una presión mecánica aplicada de 40 MPa, partiendo de

polvos de metacaolín. Las muestras obtenidas mostraban un tamaño promedio de cristalita de entre 20

y 30 nm, y una translucidez de entre el 70 y el 80% con una longitud de onda de entre 1000 y 2500 nm

[20].

Por otra parte, la técnica PECS fue empleada para consolidar MgO (0.2% en masa) y SrO (0.5%

en masa) mezclados con polvos de mullita. La sinterización fue llevada a cabo utilizando la técnica

SPS a 1500 ºC (tasa de calentamiento de 100 ºC/min) durante 2 min, bajo una carga aplicada de 15

MPa. Se obtuvieron muestras con una densidad superior al 98% del valor teórico en los dos tipos de

mullitas (la que tenía como aditivo MgO y la que tenía como aditivo SrO). Las piezas de mullita con

SrO como aditivo mostraban una microestructura que consistía en granos finos, con un tipo de fractura

intergranular y transgranular. Por otra parte, la mullita con MgO como aditivo consistía en granos más

parejos y lisos, y mostraba un tipo de fractura transgranular. Se midió un valor de resistencia a la

fractura superior para la mullita con SrO como aditivo en comparación con el otro tipo de mullita,

debido al desarrollo de una microestructura que enlazaba los granos [7] [20].

9.9. TiO2

Se consolidaron polvos nanométricos (9 nm) de anatasa (dióxido de titanio) mediante la técnica SPS a

diferentes temperaturas variando en un rango de entre 600 y 1000 ºC (tasa de calentamiento de 50

ºC/min), con tiempos de procesamiento variando entre 10 y 30 min, bajo unas presiones mecánicas

aplicadas de entre 10 y 60 MPa. Se descubrió que la densidad relativa de la anatasa aumentaba al

incrementar la temperatura de sinterización y se alcanzó el 90% de la densidad teórica a unos 850 ºC,

sin quedar casi anatasa para transformarse en fase de rutilo. Se obtuvo un valor de densidad distinto

(mayor al 95% del valor teórico) por encima de los 850 ºC, formándose algo de rutilo. También se

descubrió que la densidad relativa aumentaba cuando la presión mecánica aplicada era también incre-

mentada. Además, también se halló una orientación cristalográfica peculiar en la nanoestructura de las

muestras de anatasa consolidadas a temperaturas de entre 700 y 800 ºC [7].


60

Se fabricaron muestras de TiO2 con una densidad relativa de alrededor del 97% del valor

teórico y tamaños de grano fino (200 nm) mediante la técnica SPS a 720 ºC y 10 min de tiempo

de procesamiento, bajo una presión mecánica aplicada de 40 MPa, partiendo de polvos de rutilo

gelatinosos muy finos (menores de 50 nm), sintetizados mediante un método de secado. Se obtu-

vieron compuestos de TiO casi completamente densos conservando el pequeño tamaño de grano

(menor de 300 nm) mediante un ligero aumento de la temperatura de sinterización a 760 ºC du-

rante 10 min. Por otra parte, mediante el método convencional de sinterización, se obtuvo una

densidad relativa del 99.2% del valor teórico a 1300 ºC durante 2 h, con una presión mecánica

aplicada de 100 MPa [7].

También fue reseñado que se consolidaron exitosamente polvos de tamaño inferior al micró-

metro (200 nm de tamaño de partícula promedio) y polvos nanométricos (40 nm de tamaño de

partícula promedio) de TiO2 (principalmente anatasa) mediante una técnica SPS en un rango de

temperaturas de entre 800 y 1000 ºC (tasa de calentamiento de 100 ºC/min) con 1 min de tiempo

de procesamiento, bajo una presión mecánica aplicada de entre 7 y 15 MPa. Los resultados fueron

comparados con aquellos obtenidos mediante métodos convencionales de sinterización en hornos

eléctricos con temperaturas variando entre 600 y 1000 ºC, con tasas de calentamiento de 20

ºC/min, durante 120 min tras una presión mecánica aplicada de 50 MPa. Cuando la temperatura

de sinterización alcanzaba los 800 ºC, la densidad relativa de las muestras nanométricas y submi-

crométricas variaba en el rango de entre el 95 y el 99% y 65-97% del valor teórico, respectiva-

mente. El método convencional de sinterización proporcionó resultados similares. Además, el

crecimiento de grano en la sinterización convencional era significativamente mayor en compara-

ción con las muestras sinterizadas mediante la técnica SPS, con equivalentes ritmos de densifica-

ción [7].

Se obtuvieron muestras de TiO2 exhibiendo una estructura de rutilo totalmente densa, alcan-

zando el 99% de la densidad teórica, con un tamaño de grano promedio de 200 nm, mediante la

técnica SPS a 700 ºC, con una tasa de calentamiento de 150 ºC/min durante 1 h. Además, se apli-

caba una presión mecánica de 62 MPa. Por otra parte, cuando se llevaba a cabo la sinterización

por métodos convencionales, se alcanzaba la densidad teórica por encima de los 900 ºC durante 1

h, con un tamaño de grano promedio de entre 1 y 2 µm.

También se consolidaron muestras con estructura de anatasa mediante la técnica SPS a partir

de anatasa nanocristalina (7 nm) y microcristalina (5 µm) a temperaturas más bajas, situadas en


61

un rango de entre 400 y 550 ºC, con una tasa de calentamiento de 90 ºC/min. Las presiones mecánicas

aplicadas eran más altas en comparación con las condiciones descritas en el método anterior.

Las muestras nanocristalinas consilidadas mostraban una fase de anatasa solo cuando la tempera-

tura de sinterización era de 400 ºC, mientras que al aumentar la temperatura aparecía también fase de

rutilo [7].

9.10. CeO2

Se alcanzó una densidad relativa del 85% aplicando un método de sinterización SPS al material en

polvo en un rango de temperaturas de entre 1000 y 1200 ºC, con una tasa de calentamiento de 500

ºC/min. La presión mecánica aplicada era de 60 MPa.

Se consolidaron polvos nanométricos (35 nm) de dióxido de cerio con un 30% molar de samario.

Fueron densificados mediante un método SPS a 1000 ºC bajo una presión mecánica aplicada de 146

MPa. Cuando la presión era incrementada a 530 MPa, se alcanzaba el valor teórico de densidad a 820

ºC, siendo el tamaño de grano de 16.5 nm [7] [20].

9.11. MgO

Se llevó a cabo una consolidación de polvos nanocristalinos de MgO mediante una técnica SPS a

temperaturas variando en un rango de entre 700 y 800 ºC, bajo una presión mecánica aplicada de 100

MPa. Las muestras sinterizadas mostraban una densidad de entre el 91 y el 96% del valor teórico

dejándolas 5 min en espera, resultando los tamaños de grano correspondientes entre 30 y 70 nm. Por

otra parte, durante la sinterización sin aplicación de presión mecánica, se detectaba un aumento de

grano significativo cuando la densidad relativa estaba en un intervalo de entre el 90 y el 95%, para

temperaturas por encima de los 1250 ºC y 5 h de tiempo de espera. El descubrimiento más importante

fue la remarcable transparencia óptica obtenida por encima de los 775 ºC para muestras sinterizadas

mediante una técnica de sinterización por chispa (SPS) en una etapa y en dos, contrastando con la

naturaleza opaca de las muestras obtenidas mediante métodos de sinterización de presión con calor

[7].


62

9.12. Materiales que contienen ZnO

Se produjeron cerámicos densos nanocristalinos de ZnO mediante la técnica SPS a una presión mecá-

nica de 50 MPa y a diferentes temperaturas, variando en un rango de entre 400 y 750 ºC, con una tasa

de calentamiento de 200 ºC/min, siendo el tiempo de espera de las muestras de 1 min. El método se

llevaba a cabo partiendo de polvos finos de ZnO (20 nm) obtenidos mediante una reacción de precipi-

tación. El valor de densidad más alto, que llegó a alcanzar el 98.5% del valor de densidad teórico, fue

obtenido a 550 ºC, con un tamaño de grano resultante de 100 nm. Se observaron unas amorfas fronteras

de grano en los cerámicos nanocristalinos de ZnO [7].

9.13. CaSiO3

Se fabricaron cerámicos densos de β-CaSiO3 mediante la técnica SPS a temperaturas variando en un

rango de entre 700 y 950 ºC, a una tasa de calentamiento de entre 150 y 200 ºC/min. La presión mecá-

nica aplicada era de 40 MPa con un tiempo de espera de 5 min, partiendo de polvos amorfos precipi-

tados mediante procesos químicos. La densidad máxima de los cerámicos β-CaSiO3 alcanzó el valor

de 2.60 g/cm3 con tamaño de grano variando en un rango de entre 100 y 200 nm cuando la sinterización

era llevada a cabo a 750 ºC. La resistencia máxima de doblado era de 190 MPa. El módulo de Young

y la resistencia a la fractura alcanzaron los valores de 62.8 GPa y 1.67 Mpa*m1/2, respectivamente [7].

9.14. Oxinitruros

Se consolidaron polvos de oxinitruros de silicio (Si2N2O) sintetizados mediante el proceso SHS con

presencia de CaOAl2O3 de 5% en masa, utilizando una técnica SPS a una temperatura de 1600 ºC con

una tasa de calentamiento de 400 ºC/min y un tiempo de espera de 2 min. La presión mecánica aplicada

era de 30 MPa. La densidad de las muestras sinterizadas era del 99% del valor teórico, siendo dicho

valor alcanzado mediante métodos de sinterización sin presión mecánica, pero a temperaturas más

altas y con tiempos mucho mayores. Uno de ellos se llevó a cabo a 1900 ºC durante 4 h mediante un

prensado isostático en caliente. La morfología de la fractura de la superficie mostraba que los granos

estaban igualmente cortados y que la fractura ocurría de un modo transgranular. La dureza Vickers y

la resistencia a la fractura eran de 18.7 GPa y 3.3 MPa*m1/2, respectivamente. Además, las muestras

sinterizadas mostraban una excelente resistencia a la oxidación a temperaturas por debajo de los

1500 ºC [7].


63

9.15. Óxidos basados en el compuesto SnO2

Se sinterizaron polvos de SnO2 con tamaño medio de partícula de 60 nm y de 30 nm mediante una

técnica de sinterización por chispa a 1200 A. La presión mecánica aplicada era de 37.5 MPa, descu-

briéndose que la consolidación de los polvos de SnO2 daba lugar a 1000 ºC. La densidad relativa de

las muestras de polvos de SnO2 alcanzaba un valor máximo del 95% del valor de densidad teórico a

temperaturas variando entre los 1000 y los 1050 ºC tras 50 min de tiempo de espera. Esta densidad

disminuía según aumentaba la temperatura de sinterización.

Además, se observó que las muestras de SnO2 comercial contenían muchos huecos vacíos. Por

otra parte, las muestras obtenidas mediante SnO2 sintetizado mostraban una consolidación mejorada

sin la presencia de poros de tamaño considerable y con una microestructura homogénea, en compara-

ción con muestras preparadas mediante polvos comerciales aglomerados. Además, se conseguía una

consolidación completa (superior al 99% del valor teórico) a partir de polvos dispersos sinterizados a

1050 ºC durante 5 min [7] [20].

9.16. Óxidos con contenido en lantano

Se consolidaron polvos ultrafinos de entre 20 y 50 nm mediante sinterización por chispa a temperaturas

variando en un rango de entre 750 y 900 ºC, con una tasa de calentamiento de 100 ºC/min, durante un

tiempo que variaba entre 0 y 30 min, siendo la presión mecánica aplicada de 45 MPa. Se descubrió

que, con un tiempo de espera de 5 min, la densidad relativa aumentaba del 89.98% al 98.64% del valor

teórico, cuando la temperatura aumentaba de los 750 a los 800 ºC. También se descubrió que el tiempo

de espera a una temperatura de 900 ºC afectaba enormemente al valor de densidad relativa final. Au-

mentando el tiempo de espera en un rango de entre 0 y 30 min, la densidad relativa aumentaba del 92

al 96.05% del valor de densidad teórico [7].

Además, la microestructura de las muestras sinterizadas a 800 ºC durante 5 min consistía en gra-

nos redondos o hexagonales con un tamaño de grano promedio de entre 1 y 3 µm. Se observó que la

microestructura cambiaba en las muestras sinterizadas a una temperatura de 900 ºC durante un tiempo

de 5 min, en cuanto a que los granos adquirían una estructura más alargada, con una longitud de unos

8 µm [7].

Se aplicó también la técnica de sinterización SPS para preparar piezas a una temperatura de 1323

K con una densidad relativa del 98% del valor teórico de Sr con LaPO como aditivo. No se alcanzó un

valor de densidad superior al 94% del valor teórico con los métodos convencionales de sinterización


64

sin presión, llevando a cabo los procesos a temperaturas de entre 1473 y 1573 K. Las muestras

sinterizadas mediante la técnica SPS a temperaturas de entre 1323 y 1373 K, mostraban una resis-

tencia al doblado de 240 MPa y una dureza Vickers de 6.7 GPa [7].


65

10. SIALON

La cerámica α/β SiAlON (nitrito de silicona-alúmina) es uno de los materiales más nuevos descubier-

tos en la cerámica técnica y se relaciona con los nitritos de silicona. Sólo ocurren en ciertos compuestos

de materia prima y consisten en al menos las tres fases de α-SiAlON, β-SiAlON y una fase limítrofe

de grano parcialmente cristalino [7].

A continuación, se van a describir un par de técnicas de sinterización aplicadas a estos modernos

materiales.

10.1. Técnicas de sinterización aplicadas

Se han producido nuevos tipos de cerámicos resistentes de sialon-α mediante la técnica SPS, y se han

examinado sus propiedades de desgaste, obteniendo que la microestructura de las muestras, hechas a

medida ajustando las composiciones químicas y/o explotando la velocidad de crecimiento de grano,

variaban entre granos α de igual corte a granos ásperos alargados.

Un compuesto de sialon-β monofásico nanométrico ha sido preparado mediante molienda con

una alta energía mecánica a través de una técnica de sinterización por chispa. Tras la molienda, la

mezcla inicial de polvo era mayormente transformada en una fase amorfa que contenía un gran número

de partículas nanocristalinas dispersas. La molienda mejoró la capacidad de sinterización de los polvos

iniciales y, por esto, la temperatura de consolidación se suavizó unos 100 ºC. La redisposición de las

partículas fue el principal mecanismo de sinterización de los polvos molidos. Se obtuvo una microes-

tructura homogénea compuesta por granos β de igual corte con un diámetro de unos 50 nm tras sinte-

rizarlos a 1550 ºC durante 5 min [7].


66

11. COMPUESTOS CERÁMICOS DE METAL Y

ALEACIONES

En este apartado, se analizarán distintas técnicas de sinterización aplicadas a diversos compuestos ce-

rámicos a los que se le añade metal o aleaciones metálicas.

11.1. Carburos cementados

Debido a su importancia práctica, los carburos cementados de WC-Co con distintos contenidos de

pegamento y con WC micrométrico o nanométrico, son unos de los sistemas más investigados de la

sinterización mediante activación de corriente eléctrica. El método de resistencia directa utilizando un

proceso de corriente pulsada fue desarrollado para la sinterización de WC-Co con un tamaño de grano

pequeño. Se observó que, a través de este método, la adición de VC como inhibidor de crecimiento de

grano, a menudo empleado en la sinterización convencional, empeoraba las propiedades mecánicas,

así como la resistencia de ruptura transversal [7] [10].

Se consolidaron polvos molidos de WC-Co con un tamaño de grano de entre 40 y 250 nm y

distinto contenido de carburo de vanadio mediante una técnica de sinterización por chispa. La con-

solidación mediante esta técnica fue llevada a cabo a una temperatura variando entre los 1000 y

los 1100 ºC, durante un intervalo de tiempo de entre 3 y 10 min. La tasa de calentamiento era de

unos 150 ºC/min y la presión mecánica aplicada era de 50 MPa. También se llevó a cabo una

sinterización de fase líquida consistente en calentar la muestra a 900 ºC, con una tasa de calenta-

miento de 108 ºC/min durante 30 min. Seguidamente, se llevaba a cabo otro calentamiento a 1300

ºC, a un ritmo de 58 ºC/min, seguido de otro ritmo de calentamiento de 20 ºC/min hasta llegar a la

temperatura final de sinterización, que solía estar entre los 1400 y los 1450 ºC, mantenidos durante

un intervalo de tiempo de entre 30 y 45 min. Se descubrió que la distribución de cobalto era más

uniforme utilizando la técnica de sinterización por chispa que la de sinterización de la fase líquida.

Correspondientemente, se obtuvo una dureza mayor pero una menor resistencia a la fractura me-

diante la técnica de sinterización por chispa [7].


67

11.2. Otros carburos, nitruros y boruros. Compuestos metálicos y alea-ciones

Se fabricaron aleaciones metálicas de TiC y Fe (28% atómico)-Al mediante una técnica de sinteriza-

ción por descarga eléctrica partiendo de polvos de elementos mecánicamente aleados de Fe, Al, Ti y

grafito. Se llevó a cabo la consolidación por impulsos eléctricos a 1273, 1373 y 1473 K, siendo la

presión mecánica aplicada de 55 MPa, la tasa de calentamiento de 20 K/min y el tiempo de espera de

10 min. Durante la sinterización, el hierro, el aluminio y el carburo de titanio precipitaban de la solu-

ción sólida sobresaturada de hierro con contenido de aluminio, titanio y carbono. La microestructura

del producto sinterizado obtenido utilizando polvo molido durante 200 h consistía en tres regiones.

Una de ellas consistía en grandes partículas de TiC de unos 5 µm de tamaño medio de grano y las otras

dos eran Fe y Al con un tamaño de grano promedio inferior [7].

11.3. Partículas de cerámica reforzadas por matriz de metal

Uno de los sistemas de partículas cerámicas y de metal más investigado de sinterización por aplicación

de corriente eléctrica está representado por compuestos de SiCp/Al. En este contexto, el aluminio

aleado mecánicamente y las partículas β de SiC con un tamaño de grano promedio de entre 0.3 y 85

µm se consolidaron mediante sinterización por resistencia para la preparación del compuesto Al-xSiC

con x variando en un rango de entre el 10 y el 30% en volumen. En estos experimentos, la corriente se

mantenía constante a una intensidad de 4000 A, la presión mecánica aplicada variaba en un rango de

entre 67.5 y 337.5 MPa, y el tiempo de sinterización variaba entre 1 y 25 ciclos, que correspondían a

un rango de entre 1/60 s y 25/60 s. Se descubrió que la diferencia de potencial en la muestra era apro-

ximadamente constante durante el proceso de sinterización y que la entrada de energía específica esti-

mada estaba en un intervalo de entre 0.5 y 3.6 kJ/g. El efecto del tiempo de sinterización fue investi-

gado para el caso del compuesto de Al-30% en volumen de SiC y a una presión mecánica de 200 MPa.

Se observó que la densidad del compuesto incrementaba al aumentar el tiempo de sinterización hasta

en más de 10 ciclos (1/6 y 1/4 s). De este modo, se alcanzaba alrededor del 95% del valor de densidad

teórica [7].

Tanto el esfuerzo compresivo como la fuerza máxima compresiva aumentaban con el tiempo de

sinterización, mientras que el esfuerzo de fractura mostraba un máximo a los 15 ciclos (1/4 s). Con

relación a la presión mecánica de sinterización, se descubrió que tanto la densidad como el esfuerzo

de fractura aumentan con la presión, pero este efecto disminuye por encima de los 135 MPa. En gene-


68

ral, se obtuvo un producto con una densidad cercana a la teórica con excelentes propiedades com-

presivas (500-700 MPa de esfuerzo compresivo, 600-800 MPa de fuerza máxima, 3-5% de es-

fuerzo de fractura) mediante la sinterización por resistencia. Además, los compuestos hechos me-

diante polvos de Al-SiC mecánicamente aleados mostraban buena estabilidad térmica incluso tras

calentarlos a 873 K durante 120 h [7].

11.4. Compuestos metálicos y aleaciones metálicas

Se fabricaron diversos compuestos de Al-Al3Ti mediante la técnica PDS partiendo de polvos de alu-

minio y titanio. El proceso PDS fue llevado a cabo al vacío bajo una presión mecánica máxima de 38

MPa. La pieza compacta fue primero sometida a un impulso de corriente de una intensidad de 800 A

durante 30 s y, posteriormente, una corriente continua con ondas de impulsos. Se descubrió que, para

producir compuestos con una densidad cercana al valor teórico con bajo contenido en titanio, eran

suficientes una temperatura de sinterización de 903 K y un tiempo de 1200 s. Cuando el contenido de

titanio rondaba el 9.4% molar, el compuesto resultante mostraba un módulo de Young de alrededor de

110 GPa, y se mantenía una razonable ductilidad [7].

11.5. Compuestos de silicio con metales

Se fabricaron materiales compuestos de Fe0.91Mn0.09Si2.5-xCu, con x variando entre el 0 y el 2% en

masa, con propiedades termoeléctricas, mediante la técnica SPS utilizando polvos de Fe, Mn y Cu. El

proceso de sinterización fue llevado a cabo a una presión mecánica de 25 MPa y fue desarrollado en 4

etapas térmicas. En la primera, la muestra era calentada hasta a 1173 K durante 600 s. La segunda

etapa consistía en mantener la muestra a esta temperatura durante 60 s más. En la siguiente etapa, la

temperatura se bajaba a 943 K en un tiempo de 180 s y, finalmente, en la última etapa, la muestra era

recocida a 943 K durante un tiempo que podía variar en un intervalo de entre 3.6 y 14.4 ks. Se inves-

tigaron las propiedades termoeléctricas de los productos obtenidos. Específicamente, se descubrió que

las condiciones óptimas de recocido eran a 943 K durante 3.6 ks cuando el tanto por ciento en masa

de cobre era del 0.5% [7] [10].


69

11.6. Óxidos metálicos y óxidos aleados

Con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del Al2O3, se investigó la fabricación de com-

puestos consolidados donde las partículas nanométricas de metal son incorporadas a una matriz de

Al2O3 mediante aparatos de sinterización mediante corriente eléctrica. Con este guión, se llevó a cabo

la sinterización mediante una técnica SPS del Al2O3/xCu con x variando entre 5 y 10 % en volumen.

La sinterización fue llevada a cabo a una temperatura variando en un rango de entre 1100 y 1400 ºC

durante 5 min, bajo una presión mecánica aplicada de 50 MPa. Las mezclas iniciales que iban a ser

procesadas mediante esta técnica eran obtenidas primero mediante molido del Al2O3 y del CuO y,

posteriormente, aplicándoles un tratamiento térmico en H2 para reducir el CuO a Cu. Los otros pará-

metros usados durante el proceso de sinterización eran una frecuencia de pulso de corriente de 14 ms,

temperatura de remojo de 900 ºC, tiempo de remojo de 5 min y una tasa de calentamiento de 100

ºC/min. Se obtuvieron compuestos con una densidad casi igual a la teórica (97% del valor de densidad

teórico) con partículas de cobre nanométricas uniformemente distribuidas y localizadas en las fronteras

de grano de la matriz de Al2O3. Además, se mejoró la resistencia a la fractura (4.9 MPa*m1/2) [7].

Siguiendo los pasos de los experimentos anteriores, se prepararon compuestos de Al2O3/Ni-Co.

Se obtuvieron productos con una fina microestructura de Ni-Co dispersa con un tamaño de grano pro-

medio de 90 nm y una alta resistencia, de alrededor de 19 GPa. Se fabricaron materiales nanométricos

de Al2O3/5% en volumen de Ni mediante una técnica de sinterización por chispa utilizando una mezcla

de compuesto preparada por una solución química. La temperatura de sinterización estaba en un rango

de entre 1000 y 1450 ºC, mientras que el tiempo de espera y la presión mecánica aplicada eran cons-

tantes de 10 min y 30 MPa, respectivamente. Se obtuvieron productos con una densidad del 91% del

valor de densidad teórico a 1300 ºC, mientras que, a 1450 ºC, se consiguió prácticamente el valor de

densidad teórico. Se lograron diversas microestructuras mediante un apropiado control de las tempe-

raturas de sinterización y se consiguieron obtener propiedades mecánicas y magnéticas equilibradas

[7].


70

12. DISCUSIÓN

Debido a la gran diversidad de técnicas expuestas en los anteriores capítulos, en éste, con ayuda de

toda la información recopilada, se va a proceder a vislumbrar cuál de ellas sería más favorable según

el tipo de material a procesar.

No cabe duda de que, pese a su antigüedad, el método de Bloxam fue muy revolucionario debido a

que se aumentó de manera considerable la producción de filamentos incandescentes, así como la emi-

sividad de las lámparas. Sin embargo, debido a la falta de datos, no podemos establecer si el proceso

era realmente rentable.

Por otra parte, el método de Weintraub y Rush goza de unos valores de corriente y temperatura dema-

siado elevados en comparación con otras técnicas. Una manera de mejorar esta técnica podría ser cam-

biar la forma del plato que transmite el esfuerzo del compresor para necesitar así unas corrientes y unas

temperaturas menos elevadas.

Pero donde realmente nos vamos a centrar es en el método de Kratky, desarrollado en 1937, quien

desarrolló un método de sinterización para producir herramientas de corte. Lo destacable de este ex-

perimento es que podía ser llevado a cabo con diversos tipos de materiales duros, especialmente WC,

cerámicos y aceros. La preforma estaba hecha de grafito y el compresor estaba constituido de W, pu-

diéndose así adaptar a las necesidades de numerosas empresas. Al ser los electrodos refrigerados con

agua, se mantenía la precisión para futuros procesos. Un impedimento de este método es la necesidad

de crear el vacío para llevar a cabo los procesos, lo que implica un coste adicional en crearlo. Pero por

lo que verdaderamente destaca este método, es por la utilización de tensiones bajas que acarrean un

coste relativamente bajo. Una manera de mejorar este método sería efectuar un desarrollo del disposi-

tivo de tal manera que no hiciera falta hacer el vacío para llevar a cabo el procesado de los distintos

materiales.

Por otra parte, el método de Engle también emplea corrientes de bajo voltaje, pero, sin embargo, ne-

cesita de un doble calentamiento: el producido por el efecto Joule y el llevado a cabo por un horno que

rodea el dispositivo, pudiendo acarrear costes elevados en comparación con el método de Kratky. Ade-

más, los materiales producidos mediante este método eran cerámicos, que contrasta con el método de

Kratky, mediante el que se podían fabricar tanto cerámicos como aceros. Tenemos, por tanto, que este

método resulta menos favorable debido a la menor diversidad de materiales a procesar, así como al

mayor coste empleado en los procesos de calentamiento. Un modo de mejorarlo podría ser eliminar

este doble calentamiento (suprimiendo el horno) consiguiendo las temperaturas necesitadas de otra


71

manera. Por ejemplo, se podría comparar el coste del horno con el de aumentar el calentamiento por

efecto Joule.

En cuanto a la técnica SPS, una de las limitaciones más llamativas es la incapacidad de producir piezas

de gran tamaño, algo que puede ser determinante en diversas aplicaciones industriales. Esto puede

estar determinado por la máxima energía eléctrica (de valor relativamente bajo) que puede ser obtenida

de las fuentes de energía utilizadas en las máquinas de sinterización SPS en la industria, provocando

que el tamaño de las piezas sinterizadas no sea muy grande. La presión mecánica con la que se suele

desarrollar este tipo de técnica no es muy elevada, pero mejora la densificación produciendo deforma-

ción plástica que produce el colapso de los poros.

Por otro lado, el aumento del tamaño de grano queda minimizado debido a las altas tasas de calenta-

miento que se producen. A su vez, esto mejora el efecto de la presión mecánica

También se encuentran dificultades utilizando esta técnica en piezas con una geometría complicada,

algo que también ocurre con otras técnicas anteriormente expuestas como son la de Bloxam y la de

Weintraub y Rush.


72

REFERENCIAS

[1] G. A. P, «Metalografía,» 1990.

[2] U. Ordóñez Hernández, «Tecnología de los metales,» vol. 2, nº 13, 2004.

[3] U. d. S. d. C. Departamento de ingeniería metalúrgica, «Pulvimetalurgia,» p. 12.

[4] D. C. e. I. d. l. M. e. I. Química, «Sinterización,» de Tecnología de polvos, Madrid.

[5] J. R. E. González, La técnica del sinterizado de polvos por arco eléctrico, spark plasma sintering SPS -

estado tecnológico del arte, expectativas y límites -, Ciudad de Mexico, 2010.

[6] S. G. e. al, «Electric current activated/assisted sintering (ECAS): a review of patents 1906-2008,» 2009.

[7] R. O. e. al, «Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering,» de

Materials Science and Engineering, Cagliari, Elsevier, 2009.

[8] O. G. e. al, «Field‐Assisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering: Mechanisms, Materials, and

Technology Developments,» de Advanced Engineering Materials, 2014, pp. 830-849.

[9] L. M.A, «Development of electric resistance sintering process for the fabrication of hard metals:

Processing, microstructure and mechanical properties,» 2017.

[10] L. C. Ardilla-Téllez, «Fabricación y caracterización de carburos de wolframio WC-X (X = Co, Ni)

obtenidos por vía pulvimetalúrgica,» 2017.

[11] S. A.I, «The sintering of graphite powders during chemicothermal treatment with carbide-forming

elements,» 1965.

[12] V. N. Z, Sinterización de manganitas Ni-Fe empleando microondas como fuente de energía, San Nicolás

de los Garza: Tesis doctoral, 2005.

[13] F. J. J. e. al, «SINTERIZACIÓN DEL ALUMINIO ALEADO MECÁNICAMENTE ASISTIDA POR

ADICIÓN DE 1% Cu,» 2002.

[14] K. Surreddi, «Spark plasma sintering of gas atomized Al87Ni8 amorphous powder,» p. 5, 2009.

[15] S. D. M. C. F. L. D. C. A. P. D. P. A. MECÁNICAMENTE, RODRIGO ALEJANDRO MORONI

ULLOA, Santiago de Chile, 2011.

[16] P. D. Campbell-Smith, Sinterización por Spark Plasma Sintering (SPS) de materiales compuestos para

herramientas de corte, Oviedo, 2014.

[17] B. A, «Mecanismos de formación de cementita intergranular de aceros sinterizados Fe-Cu-C,» Revista de

la Sociedad Química de México, 2001.


73

[18] A. J, «Influencia de la temperatura de sinterización en las propiedades mecánicas del sistema,» Revista de

metalurgia, 2006.

[19] I. F. J, «Influencia de la atmósfera de sinterización en las propiedades mecánicas de los aceros,» Revista

de Metalurgia, 2014.

[20] V. J. A, «Pore size evolution during sintering of ceramic oxides,» de Ceramics, 1990.

trabajo fin de grado - universidad de...

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