obtenciÓn y evaluaciÓn de un material compuesto de...
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OBTENCIÓN Y EVALUACIÓN DE UN MATERIAL COMPUESTO DE MATRIZDE ALUMINIO Y POLVO DE PLUMA.
A.López Velázquez1,S. Palomino Espinosa1, J.J. Marín Hernández1, T. Hernández Quiroz2, L. GarcíaGonzález2, J. Hernández Torres2.
1Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica-UV, Xalapa, México2Centro de Investigación en Micro y Nanotecnología-UV, Veracruz, México
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],[email protected]
RESUMEN.
La importancia de los materiales compuestos enla actualidad surge por la necesidad del hombrede reducir el consumo de energía y uso eficientede los recursos. En este trabajo se dan a conocerlas diferentes actividades realizadas para laobtención de un nuevo material compuesto conbase en Aluminio y reforzado con polvo depluma de pollo utilizando la técnica depulvimetalurgia. Así mismo se presentan losestudios realizados para determinar lascondiciones óptimas de manufactura y losresultados de dureza Vickers, con el fin deobservar el comportamiento del nuevo material ysus propiedades adquiridas.
ABSTRACT.
The importance of composite materials at presentarises from man's need to reduce energyconsumption and efficient use of resources. Thispaper discloses the various activities undertakento obtain a new composite material based onaluminum reinforced with chicken featherpowder using powder metallurgy technique. Alsopresent studies to determine the optimalconditions of manufacture and the results ofVickers hardness, in order to observe thebehavior of new materials and their propertiesacquired.
INTRODUCCIÓN
Un material compuesto es aquel que estáfabricado de forma artificial, formado por dos omás fases o constituyentes física y/oquímicamente diferentes, dispuestos de formaadecuada y separados por una intercara ointerfase definida, cuyas propiedades no pueden
ser alcanzadas por ninguno de sus constituyentesde forma aislada. (1)
En todo material compuesto se distinguen doscomponentes, la matriz y el refuerzo. La matrizes el componente que se encuentra en fasecontinua actuando como ligante y el refuerzo esel que se presenta en fase dispersa en cantidadessuperiores al 1% en volumen, tamaño mayor a unmicrómetro y con dispersión continua odiscontinua. Las matrices se pueden clasificar en:matrices orgánicas y matrices inorgánicas.
Dentro de las matrices inorgánicas, losmateriales compuestos de matriz metálica(CMM) son los que cuentan con mayoresaplicaciones. Los materiales metálicos de usomás común en CMM son las aleaciones ligerasde Al, Ti y Mg, siendo el Al el de mayorconsumo debido a su bajo costo, baja densidad,buenas propiedades mecánicas, alta resistencia ala degradación ambiental y fácil manipulación.(2)
La baja densidad, 2,7 g/cm3 comparándola con7,9 g/cm3 que tiene el acero, su alta resistencia ala corrosión y su eficiente conductividad tantotérmica como eléctrica hacen del aluminio unmaterial útil en la rama ingenieril e idóneo parala composición de materiales compuestos. (3,10)
Los refuerzos se pueden clasificar en continuos,en los que encontramos las fibras; y endiscontinuos en los que podemos encontrar loswhiskers y partículas.
El consumo de pollo en la actualidad generaresiduos orgánicos que en su mayoría sondesechados o utilizados en la producción deharinas, lo que genera la necesidad de buscar uncampo distinto de aplicación. Las plumas de
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pollo poseen propiedades únicas dentro de lascuales se encuentran: baja densidad, absorción decalor y propiedades de aislamiento acústico, quepueden ser utilizadas ventajosamente en unnúmero de aplicaciones que sirven comoalternativas a la harina de plumas, como es elcaso de refuerzo en materiales compuestos. (4,5)
Además del refuerzo y la matriz existen otrostipos de componentes como cargas y aditivos quedotan a los materiales compuestos decaracterísticas peculiares para cada tipo defabricación y aplicación.
Los métodos de obtención de materialescompuestos con matriz de aluminio se clasificanbásicamente en cuatro formas de acuerdo alestado en el que se encuentra la matriz (6) y semuestran a continuación en la tabla 1:
Tabla 1.Métodos de obtención de materialescompuestos.
ESTADO DE LAMATRIZ
MÉTODOS DEOBTENCIÓN
Líquido FundiciónInfiltración
Sólido PulvimetalurgiaGaseoso Deposición de vapor
AtomizaciónSemisólido Compocasting
La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es unproceso utilizado por lo regular para lafabricación de piezas pequeñas y de granprecisión que consiste en el compactado ysinterizado de polvos finos.
Se emplea principalmente en metales con altopunto de fusión, en sistemas metal-no metal y enla preparación de estructuras especiales(porosas). (7)
Los pasos principales en la metalurgia de polvosson: la mezcla de los materiales en polvo; elprensado de la mezcla, que es en donde seobtiene la forma deseada de la pieza en moldesde acero (conocido como compactado crudo ocompactado en verde); y el sinterizado, que es elcalentamiento del compactado en un horno conatmósfera controlada a una temperatura porencima de la de recristalización del metal,acercándose al punto de fusión (en este paso seincrementa la densidad del material compactado,acercándose a la del metal empleado comomatriz). (8)
Los factores que influyen de maneradeterminante en los resultados son: la selección ymezclado de polvos, el uso del molde adecuadopara realizar el compactado, técnica idónea deprensado y atmósfera, tiempo y temperaturacorrecta en el sinterizado. (9)
DESARROLLO
Para poder realizar los estudios y conocer laspropiedades y características del nuevo materialse elaboraron diversas probetas, utilizando latécnica de pulvimetalurgia.
a) Elaboración de probetasEl proceso de elaboración de probetas se dividióen tres etapas las cuales consistieron en:
Primera etapa: elaboración de probetascon 100% polvos de aluminio ydeterminación de presión óptima decompactación.
Segunda etapa: elaboración de probetascon 100% polvo de pluma de pollo conel objetivo de conocer su punto defusión.
Tercera etapa: determinación dedistintas concentraciones de aluminio ypolvo de pluma de pollo y elaboraciónde probetas con dichas concentracionespara la determinación de lascondiciones óptimas de manufactura delnuevo material compuesto.
Las dimensiones para las probetas quedarondeterminadas de la siguiente manera:diámetro:28.88mm y espesor: 3.17 mm, y conbase en estas dimensiones se fabricó una matrizde acero con punzón para efectuar elcompactado. Ver Figura 1.
Figura 1.Matriz utilizada durante la compactación
Se determinó utilizar la cantidad aproximada de6 gramos de polvo de Aluminio por probeta.El lubricante que se utilizó para engrasar lasparedes de la matriz fue grasa polivalentesuperior, basada en sulfonato de calcio.Con ayuda de una prensa hidráulica concapacidad máxima de 50 toneladas, ver figura 2,
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se compactaron durante un tiempo estimado de30 minutos probetas a una presión de: 10 MPa,15 MPa, 20MPa y 30 Mpa.
Figura 2. Prensa utilizada para la compactación de probetas
De esta manera se pudo observar que la presión ala que mejor se conformaban las probetascorrespondía a 20MPa como se muestra en lafigura 3.
Figura 3.Probeta 100% Al, compactada a 20 MPa
Debido a la densidad de la pluma de pollo lacantidad de polvo que se utilizó para laelaboración de las probetas correspondió a 4gramos.
Utilizando los mismos parámetros y técnica secompactó el polvo de pluma de pollo el cual semuestra en la figura 4.
Figura 4.Probeta 100% pluma, compactada a 20 MPa.
Al no tener referencias sobre trabajos realizadoscon polvo de pluma de pollo como refuerzo enmateriales compuestos se determinó realizardistintas concentraciones para observar sucomportamiento.
Al ser el polvo de pluma un refuerzo para elaluminio se debe encontrar presente en elmaterial con una concentración menor o igual al50% por lo que se determinó elaborar probetaspartiendo de este porcentaje.También se decidió
elaborar probetas con concentración intermediaal 25% y finalmente concentraciones al 10%.
Fue así como las concentraciones bajo las cualesse elaboraron probetas del material compuestoquedaron determinadas de la siguiente manera:50% Al-50% pluma, 75% Al-25% pluma y 90%Al-10% pluma.
Una vez determinadas las concentraciones secompactaron las probetas de polvo de aluminio ypolvo de pluma, las cuales se muestran en lafigura 5.
Figura 5.Probetas compactadas con diferentesconcentraciones, a 20 MPa.
b) Sinterización de las probetas
Para sinterizar las probetas obtenidas de polvosde aluminio se utilizaron las rampas decalentamiento mostradas en la Tabla 2.
Tabla 2: Rampas de calentamiento polvos dealuminio
Una vez alcanzados los 600°C se mantuvo latemperatura por un tiempo de tres horas ydespués se enfriaron de manera inversa alproceso de calentamiento.
La mufla utilizada para llevar a cabo lasinterización se muestra en la figura 6.
RAMPAS DECALENTAMIENTO
GRADIENTE DETEMPERATURA
°C/MIN
TEMPERATURAA ALCANZAR
1 10°C/min 550°C
2 5°C/min 595°C
3 1°C/min 600°C
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Figura 6.Mufla utilizada para la sinterización
Al desconocerse el punto de fusión de la plumade pollo, se experimentó elevándola a distintastemperaturas para observar su comportamiento.
Las temperaturas a las que se sometió el polvo depluma se pueden observar en la tabla 3.
Tabla 3: Rampas de calentamiento polvo depluma de pollo.
TEMP.A
ALCANZAR
GRADIENTE DECALENTAMIENTO
Y DEENFRIAMIENTO
TIEMPO DESINTERIZADO
TEMP.FINAL
50°C 5°C /min. 30 minutos 20°C100°C 5°C /min. 30 minutos 20°C150°C 5°C /min. 30 minutos 20°C200°C 5°C /min. 30 minutos 20°C250°C 5°C /min. Menor a 30
min242°C
Se determinó que la temperatura idonea parasinterizar el polvo de pluma de pollo seencuentra entre los 200°C y los 225°C, antes deque comience a quemarse.
Una vez conocida la temperatura de sinterizacióndel polvo de pluma se procedió a sinterizar lasprobetas con las distintas concentraciones.
El gradiente de calentamiento correspondióa1°C/min hasta alcanzar una temperatura de225°C, manteniéndola por una hora paraposteriormente, ser enfriadas con un gradienteinverso al utilizado para el calentamiento.
Al término de la sinterización se observó undeterioro notable en las probetas conconcentraciones al 50% Al-50% pluma y 75%Al-25% pluma. A diferencia, las probetas con90%Al-10% pluma, presentaron un mejoraspecto de conformado lo cual puede observarseen la figura 7.
Figura 7.Probetas al 90%, 75% y 50% sinterizadas a225°C, respectivamente.
De esta manera, se estableció que para el análisisde las propiedades y características del nuevomaterial sería idóneo utilizar las probetassinterizadas con concentración de 90% Al- 10%pluma, mostradas en la figura 8.
Figura 8.Probetas sinterizadas 90% Al- 10% plumaa 225 °C.
RESULTADOS
a) Pruebas de Microdureza
1) Probetas al 100% Al (en verde),compactadas a diferentes presiones.
En la tabla 4, se muestran los resultados de ladureza Vickers de las probetas de polvo dealuminio al 100%, compactadas durante 30minutos a presiones de 10, 15 y 20 MPa.
Tabla 4.Resultados de microdureza: probeta100% Aluminio (en verde).
P(GRF)
10 MPA 15 MPA. 20 MPA.
0.05 6.9 8 9
0.1 3.6 5.97 6.99
0.2 3.5 3.4 3.3
De los resultados se observa un incremento de ladureza conforme se incrementa la presión delcompactado, sin embargo, cuando se realiza laprueba de dureza a cargas más altas (0.2 grf),tiende a permanecer más o menos constante.
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Determinándose que las mejores condiciones depresión para la manufactura corresponden a 20MPa.
2) Probetas 90% Al- 10% plumacompactadas a 20 Mpa (en verde ysinterizadas a 225 °C.)
Las pruebas de dureza, efectuadas en probetas al90% Al -10% pluma antes de ser sinterizadas (enverde) y posterior a la sinterización, fueronrealizadas aplicando tres cargas distintas yhaciendo un promedio para cada carga, para deesta forma obtener un mejor resultado. Losresultados obtenidos, se muestran en las tablas 5y 6, respectivamente.
Tabla 5.Resultados de microdureza: probetas90% Al- 10% pluma (en verde).
P(GRF)
D1 D2 D HV H(GPA)
0.05 130.53 126.47 128.5 5.7 0.056
0.1 205.8 206.37 206.08 4.37 0.043
0.2 225.07 227.73 226.4 7.23 0.071
Tabla 6.Resultados de microdureza: probetas90% Al- 10% pluma (sinterizadas).
P(GRF)
D1 D2 D HV H(GPA)
0.05 92.47 81.66 87.07 12.66 0.12
0.1 162.13 141.37 151.75 8.23 0.08
0.2 315.76 257.37 286.57 4.5 0.04
En la figura 9, se aprecia que la dureza, paraestas probetas, aumentó de manera significativadespués del sinterizado, al aplicarle cargasmenores.
Figura 9.Probetas sinterizadas de 90% de concentración.
Por el contrario, esta propiedad, disminuye alaplicarle cargas mayores, debido a que no sealcanza, bajo estas condiciones (225 °C), lasinterización del aluminio, la cual corresponde a610 °C, aproximadamente.
Sin embargo, de acuerdo con la Figura 10, seobservó, que sin calentamiento, la adición depluma sí mejora la dureza del aluminio paracargas bajas (0,05 y 0.1 grf). Lo cual da unapauta para seguir explorando sus propiedades yaplicaciones futuras.
Figura 10.Probetas sinterizadas de 90% de concentración.
Además, bajo esta misma condición (sincalentamiento) en la Tabla 7 se muestra unaumento en más del 100% de dureza en cargasmayores (0.2grf) en las probetas de 90% Al-10%pluma respecto a las elaboradas únicamente conpolvo de aluminio. Lo cual confirma el efectoque produce la adición de la pluma en elaluminio.
Tabla 7.Resultados de microdureza: probetas100% Al y probetas 90% Al- 10% pluma (en
verde), compactadas a 20 Mpa.
CARGA 100% AL(HV)
90% AL/10% PLUMA
(HV)0.05 9 5.7
0.1 6.99 4.37
0.2 3.3 7.23
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Determinándose que las mejores condiciones depresión para la manufactura corresponden a 20MPa.
2) Probetas 90% Al- 10% plumacompactadas a 20 Mpa (en verde ysinterizadas a 225 °C.)
Las pruebas de dureza, efectuadas en probetas al90% Al -10% pluma antes de ser sinterizadas (enverde) y posterior a la sinterización, fueronrealizadas aplicando tres cargas distintas yhaciendo un promedio para cada carga, para deesta forma obtener un mejor resultado. Losresultados obtenidos, se muestran en las tablas 5y 6, respectivamente.
Tabla 5.Resultados de microdureza: probetas90% Al- 10% pluma (en verde).
P(GRF)
D1 D2 D HV H(GPA)
0.05 130.53 126.47 128.5 5.7 0.056
0.1 205.8 206.37 206.08 4.37 0.043
0.2 225.07 227.73 226.4 7.23 0.071
Tabla 6.Resultados de microdureza: probetas90% Al- 10% pluma (sinterizadas).
P(GRF)
D1 D2 D HV H(GPA)
0.05 92.47 81.66 87.07 12.66 0.12
0.1 162.13 141.37 151.75 8.23 0.08
0.2 315.76 257.37 286.57 4.5 0.04
En la figura 9, se aprecia que la dureza, paraestas probetas, aumentó de manera significativadespués del sinterizado, al aplicarle cargasmenores.
Figura 9.Probetas sinterizadas de 90% de concentración.
Por el contrario, esta propiedad, disminuye alaplicarle cargas mayores, debido a que no sealcanza, bajo estas condiciones (225 °C), lasinterización del aluminio, la cual corresponde a610 °C, aproximadamente.
Sin embargo, de acuerdo con la Figura 10, seobservó, que sin calentamiento, la adición depluma sí mejora la dureza del aluminio paracargas bajas (0,05 y 0.1 grf). Lo cual da unapauta para seguir explorando sus propiedades yaplicaciones futuras.
Figura 10.Probetas sinterizadas de 90% de concentración.
Además, bajo esta misma condición (sincalentamiento) en la Tabla 7 se muestra unaumento en más del 100% de dureza en cargasmayores (0.2grf) en las probetas de 90% Al-10%pluma respecto a las elaboradas únicamente conpolvo de aluminio. Lo cual confirma el efectoque produce la adición de la pluma en elaluminio.
Tabla 7.Resultados de microdureza: probetas100% Al y probetas 90% Al- 10% pluma (en
verde), compactadas a 20 Mpa.
CARGA 100% AL(HV)
90% AL/10% PLUMA
(HV)0.05 9 5.7
0.1 6.99 4.37
0.2 3.3 7.23
05
1015
PROBETAEN VERDE
PROBETASINTERIZADA
0
5
10
CARGA0.05
CARGA0.1
CARGA0.2
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Determinándose que las mejores condiciones depresión para la manufactura corresponden a 20MPa.
2) Probetas 90% Al- 10% plumacompactadas a 20 Mpa (en verde ysinterizadas a 225 °C.)
Las pruebas de dureza, efectuadas en probetas al90% Al -10% pluma antes de ser sinterizadas (enverde) y posterior a la sinterización, fueronrealizadas aplicando tres cargas distintas yhaciendo un promedio para cada carga, para deesta forma obtener un mejor resultado. Losresultados obtenidos, se muestran en las tablas 5y 6, respectivamente.
Tabla 5.Resultados de microdureza: probetas90% Al- 10% pluma (en verde).
P(GRF)
D1 D2 D HV H(GPA)
0.05 130.53 126.47 128.5 5.7 0.056
0.1 205.8 206.37 206.08 4.37 0.043
0.2 225.07 227.73 226.4 7.23 0.071
Tabla 6.Resultados de microdureza: probetas90% Al- 10% pluma (sinterizadas).
P(GRF)
D1 D2 D HV H(GPA)
0.05 92.47 81.66 87.07 12.66 0.12
0.1 162.13 141.37 151.75 8.23 0.08
0.2 315.76 257.37 286.57 4.5 0.04
En la figura 9, se aprecia que la dureza, paraestas probetas, aumentó de manera significativadespués del sinterizado, al aplicarle cargasmenores.
Figura 9.Probetas sinterizadas de 90% de concentración.
Por el contrario, esta propiedad, disminuye alaplicarle cargas mayores, debido a que no sealcanza, bajo estas condiciones (225 °C), lasinterización del aluminio, la cual corresponde a610 °C, aproximadamente.
Sin embargo, de acuerdo con la Figura 10, seobservó, que sin calentamiento, la adición depluma sí mejora la dureza del aluminio paracargas bajas (0,05 y 0.1 grf). Lo cual da unapauta para seguir explorando sus propiedades yaplicaciones futuras.
Figura 10.Probetas sinterizadas de 90% de concentración.
Además, bajo esta misma condición (sincalentamiento) en la Tabla 7 se muestra unaumento en más del 100% de dureza en cargasmayores (0.2grf) en las probetas de 90% Al-10%pluma respecto a las elaboradas únicamente conpolvo de aluminio. Lo cual confirma el efectoque produce la adición de la pluma en elaluminio.
Tabla 7.Resultados de microdureza: probetas100% Al y probetas 90% Al- 10% pluma (en
verde), compactadas a 20 Mpa.
CARGA 100% AL(HV)
90% AL/10% PLUMA
(HV)0.05 9 5.7
0.1 6.99 4.37
0.2 3.3 7.23
PROBETAEN VERDE
PROBETASINTERIZADA
PROBETA75%
PROBETA90%
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CONCLUSIONES
Se obtuvo y caracterizó un material compuestocon base en polvos de aluminio y polvos depluma de pollo a través de la técnica depulvimetalurgia.
Se determinó, que debido a que la pluma de polloresiste una temperatura baja (225 °C) antes dequemarse, al combinarla con el aluminio, ésteúltimo no alcanza sus condiciones desinterización (610 °C, aproximadamente), lo cuallimita el alcance por temperatura de este nuevomaterial. Sin embargo, debido a la densidad de lapluma de pollo, se verificó las ventajas endisminución de peso en las probetas de 90%Al-10% pluma en un 20% aproximadamente encomparación con las probetas conformadas al100% de polvo de aluminio.
Así mismo, al estar las probetas en verde, seobservaron mejoras respecto a la durezaalcanzada en las probetas al 100% Al.Finalmente se puedo observar que la dureza enlas probetas al 90%Al-10% pluma aumentaconforme se le aplican cargas mayores cuando seencuentran en verde, por el contrario disminuyeal aumentarle cargas mayores cuando se hansinterizado.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen la financiación recibidapor parte del Programa de Mejoramiento alProfesorado (PROMEP) para la realización deeste proyecto de investigación autorizadomediante oficio No. PROMEP/103.5/11/838 paraNuevos Profesores de Tiempo Completo.
Al Centro de Investigación en Micro yNanotecnologías (MICRONA), de laUniversidad Veracruzana, por su colaboraciónen el trabajo de caracterización.
REFERENCIAS
(1) K.K. Chawla. Composite Materials: Scienceand Engineering, Springer and Science+Business Media., 2a.Ed.,1998.(2) L. Pino Rivero. Materiales Compuestos conMatriz de Aluminio. Universidad Central “MartaAbreu de las Villas” Cuba.(3) W. Hufnagel.Manual del Aluminio, Reverte.,2a.Ed., 1992
(4) K. E. Kurtis, et al; Physical and mechanicalproperties of chicken feather materials.GeorgiaInstitute of Technology.(5) N. AedaMeneandro. Waste Chicken Featheras Reinforcement in Cement-BondedComposites.University of thePhilippines.(6) L. Pino Rivero. Materiales Compuestos.Universidad Central “Marta Abreu de las Villas”Cuba.(7) E. P. De Garmo. Materiales y Procesos deFabricación. Reverte., 2ª.Ed., 1988.(8) F. R. Morral, et al; Metalurgia GeneralVolumen 2, Reverte, 1985(9) R. F. Ramirez, et al; ComportamientoTribológico de Aluminio Sinterizado yDesgastado Bajo DistintasCondiciones.Universidad de Guanajuato, 2003.(10) Materiales Compuestos Matriz deAluminioy Aluminio Sinterizado.http://www.madrimasd.org/blogs/tecnologia_polvos/2012/01/18/77335
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