Tema CECYT 2: MIGUEL BERNAL PERALES

[pic 1][pic 2]

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

CECYT 2: MIGUEL BERNAL PERALES

Espumas Metálicas

¿Qué son?

Las espumas metálicas son estructuras resistentes pero ligeras, como si fuesen esponjas metálicas de distintos tamaños con muchas burbujas en el interior. Estas estructuras tienen numerosas aplicaciones en la industria, con usos que van desde la industria aeroespacial hasta las prótesis óseas. No obstante, aunque ya se posee una experiencia notable con las espumas de aluminio, la ciencia está mucho más atrasada en cuanto se refiere a las espumas de hierro y de acero.

Se ha logrado desarrollar espumas basadas en hierro mediante un proceso denominado espumado de material fundido en el que se usan los procesos de fundición estándar con equipamiento ya existente, complementados por nuevos agentes espumantes. Mediante este proceso se produjeron muestras de acero o hierro de distintas formas, así como distintas aleaciones que prometen ser valiosas para aplicaciones industriales. Las características estructurales y la integridad de estas espumas metálicas se analizaron mediante examen micrográfico y tomografía por rayos X. Se realizaron análisis de los poros mediante imagen, incluyendo su tamaño y morfología, y, en general, las pruebas arrojaron resultados positivos.

[pic 3]

MÉTODOS DE PRODUCCIÓN. [pic 4]

FABRICACIÓN DE ESPUMAS METÁLICAS POR FUSIÓN.

A.- [DOUCEL] MÉTODO DE INVERSIÓN USANDO UN POLIMERO COMO PRECURSOR. En este método se ocupa un molde de material plástico (polímero), el cual se recubre de un material refractario. El polímero es extraído por vaporización dejando un molde de células abiertas, se agrega el metal fundido y se solidifica direccional mente, posteriormente se enfría y se remueve el cerámico la estructura resultante es igual al polímero precursor, finalmente se sinteriza. Por este método se obtienen estructuras uniformes con células abiertas de tamaño

Una variación es el siguiente, el molde de polímero se obtiene por inyección y se obtiene un negativo de este con cerámico, finalmente se utiliza una técnica de inversión y el resultado es un material homogéneo con la forma del polímero. Y. Yamaha y K. Shimojina fabricaron espumas con células abiertas utilizando preformas de poliuretano en aleaciones de Aluminio. En su proceso el yeso (material cerámico) es vertido dentro de preformas de poliuretano y calentado a 500 ° C, el material de poliuretano es removido en el calentamiento. El molde de yeso tiene estructura porosa entonces el metal es vertido dentro del molde y calentado a 660 ° C, posteriormente se aplica agua a presión para remover el yeso, el resultado es un material poroso de células abiertas

B.- [SINTACTIC] MÉTODOS DE FUSIÓN POR ADICIÓN DE PARTÍCULAS. Este método produce una estructura celular interconectada o una esponja metálica por partículas de metal introducidas dentro del material fundido. Estas partículas pueden ser solubles, tales como una sal (cloruro de sodio), las cuales son lixiviables en el metal dejando porosidades. Dentro de los materiales lixiviables pueden existir materiales orgánicos. El método consiste en agregar dos polvos con una fracción de volumen de 25 %, mezclarlos y compactarlos, después uno de ellos es disuelto en un solvente. El método es limitado para producir materiales con densidades relativas entre 0.3 y 0.5. El tamaño de célula es determinado por el tamaño de la partícula y están entre el rango de 10 µm– 10000µm. Este método se ha usado con aleaciones de Al, Mg, Zn, Au, Ti, y fundiciones de Fe

Una técnica que es empleada en los E.U. es la de añadir al material fundido, micro balones de plástico fenólico los cuales se calientan en una atmósfera inerte, formando micro esferas huecas de carbón. Estas se rellenan con el metal por depositación de vapor y el carbón de las esferas huecas se remueve por vaporización, aunque este método se ocupa más en materiales refractarios.

 C.- [ALPORAS] ADICCIÓN DE UN AGENTE ESPUMANTE. El método consiste en agregar un agente espumante a un metal fundido y calentar la mezcla para descomponerlo y al reaccionar libere gas. La expansión de este gas forma las espumas metálicas. Los principales agentes espumantes son hidruro de titanio TiH2 e hidruro de zirconio ZrH2, Las espumas creadas por este método tienen una estructura de células cerradas. En los métodos de fusión de polvo algunas variables son difíciles de controlar, entre estas se encuentran la viscosidad, la temperatura, la presión, la uniformidad en él tamaño de célula. La viscosidad se incrementa espesando el material por medio de materiales cerámicos, por ejemplo en Al se agrega Ca, y por agitación con una propela en el metal. Cuando se incrementa la viscosidad de una forma adecuada, el tamaño de poro es más uniforme y más pequeño. También cuando se agrega material oxidante como MnO2, se incrementa la uniformidad en la célula formando núcleos celulares de Al2O3. Algunos de los problemas son: tiempos largos para espesar el material, tiempos cortos para agregar el agente espumante al material fundido, y el tiempo que

D.- [GASAR] SOLIDIFICANDO UN METAL Y UN GAS PARA FORMAR UN EUTÈCTICO. Numerosos metales al combinarse con el hidrógeno forman un eutéctico en el diagrama de equilibrio, estos incluyen al Al, Be, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn y las aleaciones base Ni. El método consiste en fundir las aleaciones y saturarlas con hidrógeno aplicando presión y se solidifica direccionalmente. Durante la solidificación el metal, y el gas forman simultáneamente una reacción eutéctica lo cual da como resultado un material poroso que contiene grandes filas de poros, ha este material se le conoce como GASAR ó GASERINE. MPa. El material es vertido en un molde y solidificado unidireccional mente en forma eutéctica, esto da como resultado poros largos con el 30% de fracción de poros, estos dependen de la química de la aleación, la presión sobre la fusión, él super calentamiento y el porcentaje solidificado. En este proceso el control y la optimización de los poros son variables difíciles de controlar. Estos procesos están en investigación y son materiales con un costo elevado.

E.- [CYMAT / HYDRO] INYECCIÓN DE GAS. En este método al material fundido se le inyecta gas (generalmente aire, aunque se pueden utilizar dióxidos de carbón, gases inertes y agua), para que las burbujas queden atrapadas dentro del metal fundido. En aleaciones de aluminio es fácil de aplicar por su baja densidad y porque no se genera demasiada oxidación al exponerlo al aire, pero se deben considerar algunos aspectos importantes en los procesos. Por ejemplo se debe evitar que las burbujas escapen del material fundido, esto se logra estabilizando la viscosidad del material agregando materiales cerámicos (5 a 15 % en volumen de partículas con diámetros de 0.5 - 25 µm u óxidos), lo cual impide que las burbujas se drenen lo cual estabiliza la espuma. Estas partículas pueden ser de alúmina, carburo de silicio, grafito y diborato de titanio Por este método se pueden producir materiales con células cerradas, pero para tener un material con buenas propiedades se debe controlar las variables de un modo apropiado, las variables más importantes de los procesos son: el flujo de gas, la temperatura, el porcentaje solidificado de la espuma, y la fricción del metal

...