2. Bases Teóricas

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Capítulo 2

Bases teóricas

Índice

1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................... 5 2. EL TITANIO .................................................................................................................. 5 2.1. EL DESCUBRIMIENTO DEL TITANIO................................................................................5 2.2. OBTENCIÓN DEL TITANIO .................................................................................................6 2.2.1. Cloración.............................................................................................................................6 2.2.2. Purificación del tetracloruro.............................................................................................7 2.2.3. Reducción...........................................................................................................................7 2.2.4. Purificación del titanio metálico......................................................................................7 2.2.5. Molienda.............................................................................................................................7 2.3. PROPIEDADES DEL TITANIO..............................................................................................8 2.3.1. Propiedades Físicas...........................................................................................................8 2.3.2. Propiedades Químicas.......................................................................................................8 2.3.3. Microestructura..................................................................................................................9 2.3.3.1. Fases Cristalinas............................................................................................................9 2.3.3.2. Transformación de fase.............................................................................................10 2.3.4. Propiedades Mecánicas..................................................................................................13 2.4. PROCESADO DEL TITANIO..............................................................................................14 2.5. COMPARACIÓN CON OTROS METALES .......................................................................16 2.6. APLICACIONES...................................................................................................................17 3. LA SINTERIZACIÓN POR RESISTENCIA ELÉCTRICA...... ............................. 19

3.1. HISTORIA Y APLICACIONES DE LA PULVIMETALURGIA........................................ 19 3.2. EL PRENSADO EN CALIENTE..........................................................................................20 3.3. LA SINTERIZACIÓN POR RESISTENCIA ELÉCTRICA ................................................22 3.4. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA S.R.E. .........................................................................23

REFERENCIAS ........................................................................................................................ 25

2. Bases Teóricas

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BASES TEÓRICAS

1. Introducción En el presente proyecto se ensaya la consolidación de polvo de Ti aditivado con Cu/Ni mediante sinterización convencional y sinterización por resistencia eléctrica. Se pretende, en este capítulo, proporcionar las bases teóricas que ubican y contextualizan el proyecto dentro del campo de la Ingeniería de Materiales y, en particular, dentro de la rama de la Pulvimetalurgia. Para ello, en primer lugar, se describen de forma cualitativa las propiedades y aplicaciones del material considerado, el titanio. Más adelante, en el capítulo de Materiales, se darán datos concretos y cuantitativos del polvo de titanio utilizado, así como de los polvos de cobre y níquel que han sido añadidos al polvo de titanio. En segundo lugar, se expone resumidamente la historia y diferentes procedimientos que se han seguido en el desarrollo de los procesos pulvimetalúrgicos, prestando especial atención, finalmente, a la sinterización por resistencia eléctrica.

2. El Titanio

2.1. El Descubrimiento del Titanio En 1.791, el clérigo inglés W.Gregor encontró el óxido de un nuevo metal en una arena negra procedente de las playas del condado de Cornualles, su región natal, ubicada en el extremo sudoeste de Inglaterra y zona de gran tradición minera. Dicho óxido era la ilmenita, de composición química FeO-TiO2, y el nuevo metal era, como se llamaría después, el titanio. Cuatro años más tarde, en 1.795, el químico alemán M.H. Klaproth identificó otro óxido del nuevo metal, el rutilo, de composición química TiO2, y fue éste quien le dio el nombre de Titanio al nuevo metal, en alusión a la figura mitológica de los Titanes, hijos de Urano y Gea, dioses del Cielo y la Tierra, en la mitología griega.

Transcurriría más de un siglo hasta que, ya a principios del siglo XX, el americano M.A. Hunter obtuviera por primera vez titanio metálico puro. Este logro lo consiguió calentando tetracloruro de titanio (TiCl4) con sodio en un reactor de acero a una temperatura de 800ºC. Pero no es hasta el año 1.946 cuando, también en Estados Unidos, el luxemburgués W.J. Kroll desarrolla un procedimiento que permite la producción de titanio a gran escala a partir de sus óxidos y, por tanto, su aplicación más allá de los laboratorios. Dicho procedimiento, denominado, en su honor, método Kroll, sigue siendo hoy en día el más utilizado para la producción de titanio a nivel comercial. En la actualidad, de todos los minerales de titanio conocidos, sólo el rutilo y la ilmenita son explotables económicamente. Los principales yacimientos de ilmenita se encuentran en Australia, Nueva Zelanda, Canadá, Noruega y Ucrania, y existen depósitos significativos de rutilo en Sudáfrica y Norteamérica, siendo Australia el mayor productor mundial de dióxido de titanio.

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Principales productores de dióxido de titanio en 2.003

País Miles de toneladas % del total Australia 1291,0 30,6 Sudáfrica 850,0 20,1 Canadá 767,0 18,2 Noruega 382,9 9,1 Ucrania 357,0 8,5

Total de los 5 países 3647,9 86,4 Total Mundo 4.221,0 100,0

Tabla 2.1 - Cifras del 2.003 en miles de toneladas de dióxido de titanio. Fuente: L´état du Monde 2005, annuaire économique géopolique mondial

Hoy en día, las reservas conocidas de titanio, expresadas como dióxido de titanio, se estiman en unos 600 millones de toneladas.

2.2. Obtención del Titanio

Como ya se ha indicado, el titanio no se encuentra libre en la naturaleza, sino que se encuentra en forma de óxidos, como, por ejemplo, el rutilo o la ilmenita, que son los óxidos más comunes de titanio. En ambos casos, el titanio mineral suele presentar una apariencia porosa, por lo que se le denomina esponja. Para conseguir titanio metálico, es necesario someter la esponja de titanio a un proceso químico. En la actualidad existen varios procedimientos posibles, pero el más utilizado sigue siendo el Método Kroll , el primero en desarrollarse. Éste consta de las siguientes etapas:

1. Cloración de la esponja para obtener tetracloruro de titanio (TiCl4). 2. Purificación del tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. 3. Reducción con magnesio del tetracloruro de titanio, para obtener titanio

metálico. 4. Purificación del titanio metálico. 5. Molienda del titanio metálico.

2.2.1. Cloración La etapa de cloración es la primera del proceso y en ella se parte de rutilo relativamente impuro. Si el mineral de titanio del que se dispone no es rutilo (TiO2) sino que es ilmenita (FeO-TiO2), se somete ésta a un proceso previo en el que se elimina el óxido de hierro. Una vez que se tiene el titanio mineral en forma de dióxido, se procede a su cloración. Para ello, se inyecta cloro en estado gaseoso a través de la base de un lecho fluidizado en el que se encuentra la masa de rutilo, con presencia de carbono, a alta temperatura. El cloro reacciona con el dióxido de titanio formando tetracloruro de titanio (TiCl4) en estado gaseoso. Las dos reacciones de formación de TiCl4 que tienen lugar son las siguientes:

TiO2 + 2Cl2 + C � TiCl4 + CO2 TiO2 + 2Cl2 + 2C � TiCl4 + 2CO

El tetracloruro de titanio, así como los otros gases productos de estas reacciones, CO y CO2, son evacuados por la parte superior del reactor. En lo que respecta a las impurezas, parte de ellas queda depositada en el interior del reactor, pero una fracción

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de las mismas reacciona con el cloro formando cloruros (MClx) en estado gaseoso, los cuales, por lo tanto, son también evacuados.

2.2.2. Purificación del tetracloruro En esta etapa se separa el tetracloruro de titanio del resto de gases producidos en

la etapa de cloración (CO, CO2, MClx). Para ello, se realiza una destilación fraccionada de estos compuestos, aprovechando que cada uno de ellos tiene una temperatura de ebullición y presión de vapor diferente.

2.2.3. Reducción Una vez que se tiene TiCl4 con un grado de pureza aceptable, éste se somete a una reacción de reducción con magnesio (Mg) en estado metálico en un reactor, con atmósfera inerte y a alta temperatura (800ºC-850ºC). En estas condiciones, se producen las siguientes reacciones:

1) TiCl4 + Mg � TiCl2 + MgCl2

2) TiCl2 + Mg � Ti + MgCl2

La concatenación de ambas reacciones parciales da lugar a la siguiente reacción total:

TiCl4 + 2Mg � Ti + 2MgCl2 Como producto de esta reacción, se forma una esponja porosa de titanio metálico en las paredes del reactor, mezclada con cloruro de magnesio (MgCl2), lo que hace necesario la purificación de la esponja para separar el titanio metálico.

Esta reacción de reducción es exotérmica, es decir, al producirse se genera calor. Por ello, debe dosificarse la cantidad de TiCl4 que se aporta al reactor, para que no se alcancen temperaturas demasiado elevadas y para que la esponja de titanio producida no sea excesivamente densa y dificulte el escape de los productos volátiles asociados a la reacción.

2.2.4. Purificación del titanio metálico La separación del titanio metálico y el MgCl2 puede realizarse según diversos procedimientos, en los cuales se aprovecha la alta presión de vapor del MgCl2, bien haciendo vacío o bien arrastrándolo mediante la inyección de un gas inerte. Otra alternativa es la lixiviación con ácido clorhídrico. En cualquier caso, al final del procedimiento elegido, se consigue que la esponja esté compuesta sólo de titanio metálico, pero eso sí, en estado poroso y, por tanto, con un tamaño por encima del deseable para una posible fundición posterior.

En cuanto al MgCl2 extraído de la esponja de titanio, se realiza una reducción del mismo, volviendo a obtener magnesio (Mg) en estado metálico, con lo que así éste es reciclado para su reutilización en la reducción del tetracloruro de titanio. Actualmente, el reciclado del Mg en el método Kroll es muy eficiente y sólo hay que añadir pequeñas cantidades de Mg para compensar las pérdidas entre una operación de reducción de titanio y la siguiente.

2.2.5. Molienda En esta etapa se muele y compacta el titanio metálico proveniente de la fase anterior, reduciendo su tamaño y haciendo que éste sea el adecuado para su fundición y posterior producción en lingotes.

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En el caso de que la producción de titanio esté destinada al uso como polvo con fines pulvimetalúrgicos, no es necesario realizar la fundición del material, si se desea disponer de polvo de titanio comercialmente puro (como el polvo con el que se trabaja en el presente proyecto), y no prealeado.

En este caso, la esponja de titanio es enriquecida con hidrógeno, el cual, como se verá más adelante en el epígrafe de propiedades químicas, provoca la fragilización del titanio y permite, de esta manera, su trituración hasta alcanzar el tamaño de partícula deseado. Posteriormente, se elimina el hidrógeno. Este procedimiento se conoce como proceso de Hidrogenación/Deshidrogenación (HDH) y resulta mucho más económico en comparación con otros, dato de especial relevancia tratándose del titanio.

El alto punto de fusión del titanio provoca que la energía empleada en su fusión sea mayor que la invertida en la obtención de cualquier otro metal. Por otro lado, los procedimientos seguidos para la producción de titanio, como el Método Kroll u otros que no se han descrito, como el método de formación de yoduro, resultan laboriosos. Ambos factores contribuyen al alto precio del titanio y lo convierten en un material costoso frente a otros materiales. Sin embargo, sus buenas propiedades, las cuales se exponen a continuación, justifican su uso en numerosas aplicaciones.

2.3. Propiedades del Titanio

2.3.1. Propiedades Físicas

El titanio es un metal de transición de color plateado grisáceo y se caracteriza por las siguientes propiedades físicas:

- Es un metal ligero, presenta una densidad baja comparada con la de otros metales y aleaciones, como, por ejemplo, el acero.

- Posee un alto punto de fusión y una baja conductividad térmica, así como también un bajo coeficiente de dilatación, lo que hace muy adecuado su uso en aplicaciones sometidas a condiciones exigentes de temperatura.

- Es un metal paramagnético, no se imanta gracias a su estructura electrónica. - Presenta una baja conductividad eléctrica, en comparación con el cobre o el

aluminio, por lo que es considerado un mal conductor.

2.3.2. Propiedades Químicas

El titanio muestra una gran reactividad con el oxígeno por lo que, en contacto con él, se oxida muy fácilmente y se forma, rápidamente, una capa superficial de óxido. Esta capa superficial tiene un volumen, aproximadamente, un 75% mayor que el del metal puro, lo que la convierte en una capa impermeable y, sobre todo, protectora para el metal. Este fenómeno de pasivación química espontánea ocurre también con el aluminio, el cobre y el acero inoxidable, pero el titanio tiene, particularmente, un comportamiento aún mejor que el de estos metales frente a la oxidación y la corrosión.

La resistencia a la oxidación al aire se considera excelente a temperatura ambiente, pero se ve afectada si aumenta la temperatura, de tal forma que la resistencia a la oxidación en caliente es óptima siempre y cuando la temperatura no sea superior a 500ºC. En estas condiciones, la reactividad del titanio aumenta notablemente y el oxígeno es capaz de disolverse intersticialmente en la red cristalina del titanio, provocando fragilidad en el mismo. Otros elementos no metálicos que pueden

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disolverse a elevadas temperaturas y ser causa de fragilidad son el carbono, el nitrógeno y, como se ha visto en el epígrafe de obtención del titanio, el hidrógeno, el cual se utiliza en la fabricación de polvo de titanio con el fin de facilitar su molienda.

El titanio presenta una excelente resistencia a la corrosión en una gran variedad de medios. Es resistente, a temperatura ambiente, a los ácidos, entre otros, al ácido sulfúrico, clorhídrico, nítrico y varios ácidos orgánicos, así como a disoluciones de sulfatos, sulfuros, cloruros y cloro húmedo. Es resistente también a las bases, incluso en caliente. No muestra tan buena resistencia, sin embargo, frente al ácido fluorhídrico y las disoluciones de fluoruros, así como en general a los ácidos en caliente.

La contaminación superficial por hierro puede afectar a la capa protectora de óxido, causando en la misma picaduras. Para evitarlas y mejorar, en general, la resistencia a la corrosión, puede engrosarse la capa de óxido por anodización.

En la unión con otros metales, no suele acelerarse su corrosión, ya que es el elemento electropositivo del par galvánico en la mayoría de ocasiones, a excepción de las uniones con metales nobles.

El titanio es muy resistente, además, a la corrosión en ambientes marinos y tiene uno de los mejores comportamientos a cavitación y a erosión-corrosión, incluso con arena u otros sólidos en suspensión. Presenta también un excelente comportamiento a corrosión fatiga y corrosión bajo tensiones, aunque en este último caso su resistencia se debilita en presencia de alcohol metílico disuelto en agua.

Los elementos de aleación, especialmente los elementos intersticiales, afectan negativamente a la gran resistencia del titanio a la corrosión.

2.3.3. Microestructura

2.3.3.1. Fases Cristalinas El titanio presenta el fenómeno de la alotropía, en virtud de la cual puede

adoptar dos diferentes estructuras cristalinas: 1) Estructura hexagonal compacta (hcp), denominada fase α. 2) Estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), denominada fase β.

Figura 2.1 - Celdas unidad de las estructuras hcp (fase α) y bcc (fase β) del titanio1

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Cada celda unidad característica tiene las propiedades que se indican, a continuación, en la tabla 2.2:

Planos y

direcciones de deslizamiento

Estructura

N

NC

FE

Índices

Número

Sistemas de

deslizamiento por celda unidad

{0001} 1 hcp

6

12

74%

<11-20> 3

1x3=3

{110} 6 bcc

2

8

68%

<111> 2

6x2=12

N = número de átomos por celda unidad NC = número de coordinación FE = fracción de empaquetamiento

Tabla 2.2 - Propiedades de las fases cristalinas del titanio

El titanio forma de manera estable una u otra fase cristalina dependiendo de la temperatura y la composición, definida por la presencia de elementos de sustitución y elementos intersticiales. A temperatura ambiente y en estado puro o casi puro, el titanio forma la fase α. La transformación alotrópica de fase α en fase β tiene lugar si se calienta por encima de una temperatura de 882ºC, que es la temperatura de transformación alotrópica para el titanio puro o casi puro.

Estas dos fases presentan diferentes propiedades mecánicas. La estructura hexagonal de la celda cristalina de la fase α origina anisotropía en su comportamiento mecánico, de modo que, por ejemplo, a efectos representativos, el módulo de Young del titanio monocristalino varía de 145 GPa, cuando la carga es perpendicular al plano basal, a 100 GPa, cuando su dirección es paralela al mismo.

La fase β tiene un comportamiento mecánico isótropo y es menos resistente y, sobre todo, más deformable que la fase α, ya que la celda cristalina de la fase β posee un mayor número de sistemas de deslizamiento. Éstos son producto del número de planos de deslizamiento por el número de direcciones de deslizamiento y representan las oportunidades de deslizar que tienen las dislocaciones, por lo que su número indica la facilidad o no de deformación de la celda cristalina.

Puesto que la fase β es más deformable que la fase α, el titanio se somete normalmente a un calentamiento previo antes de cualquier proceso de deformación mecánica.

2.3.3.2. Transformación de fase

La transformación de fase β en fase α por enfriamiento puede seguir diferentes caminos, desde el punto de vista de la cristalografía. El camino seguido depende de la velocidad de enfriamiento y de la composición del titanio.

A nivel atómico, el mecanismo interno de transformación de una fase en otra tiene lugar según la relación de Burgers, la cual relaciona las orientaciones de los planos cristalográficos en una y otra fase al producirse la transformación. En virtud de esta relación, se tiene:

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(1 1 0)β || (0 0 0 2)α

[1 -1 1]β || [1 1 -2 0]α

Enfriando desde la fase β, sus planos más densos, los planos {110}, se transforman en los planos basales {0001} de la fase α de estructura hexagonal compacta. Este fenómeno se ilustra en la figura 2.2:

Figura 2.2 - Transformación β → α 1

La distancia entre los planos basales {0001} de la fase α es ligeramente mayor

que la distancia entre los planos {110} originales de la fase β. De hecho, macroscópicamente, se observa un pequeño aumento de volumen al producirse la transformación.

Además, dicha transformación causa una ligera distorsión atómica que provoca una pequeña contracción del eje c respecto del eje a de la estructura hexagonal compacta (ver fig. 3.1), reduciendo el valor de la razón c/a por debajo del valor ideal de una red hexagonal compacta típica. Por tanto, la fase α del titanio es una estructura desviada de la estructura hexagonal compacta ideal, aunque con propiedades muy parecidas.

A nivel microscópico, la velocidad de enfriamiento influye notablemente en el

camino seguido al producirse la transformación, así como en su resultado final:

1) Si el enfriamiento es lo suficientemente lento, la transformación se realiza según un proceso de nucleación y crecimiento de grano por difusión. En la frontera de los granos de fase β, comienza a nuclear fase α, formándose láminas continuas de esta fase a lo largo de la frontera de los granos originales de fase β. A continuación, la fase α sigue nucleando, por difusión, en la frontera entre las nuevas láminas de fase α y la fase β que ha quedado retenida entre ellas, o bien sigue nucleando en la frontera de grano original, si todavía ha quedado fase β en ella. Las láminas de fase α formadas crecen, paralelas unas a otras, hacia el interior del grano original, hasta que llegan a la frontera opuesta, o bien se encuentran con otras láminas de fase α que comenzaron a crecer en otra región de la frontera y tienen una orientación diferente. Al concluir el proceso de crecimiento, los granos originales de fase β se han transformado en varias colonias de láminas de fase α, denominadas lamelas, separadas por lo que queda de matriz de fase β retenida. La microestructura resultante se denomina microestructura lamelar y se ilustra a continuación:

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Figura 2.3 - Microestructura lamelar2

2) Si aumenta la velocidad de enfriamiento, el proceso de nucleación y

crecimiento de grano por difusión se ve penalizado. El espesor de las láminas de fase α disminuye pero, por otro lado, aumenta el tamaño de las colonias. Además, algunas colonias se originan nucleando en la frontera de otras. En este caso, las nuevas láminas de fase α crecen de tal modo que se minimiza la deformación elástica, siendo perpendiculares a la lámina en la que nuclearon. Como consecuencia, resulta una microestructura característica, denominada microestructura de Widmanstätten, en la que las láminas de las colonias de fase α se enlazan unas entre otras de forma similar a como se trenzan los mimbres de una cesta (ver fig. 2.4).

Figura 2.4 - Microestructura de Widmanstätten2 3) Si el enfriamiento es lo suficientemente rápido, el proceso de transformación

es diferente al que se ha visto anteriormente. Se produce, en este caso, un movimiento cooperativo de los átomos en cizalla que da lugar a una transformación microscópicamente homogénea de la microestructura asociada a la fase β en una nueva microestructura, denominada martensítica, en la que la fase α aparece dispersa en forma de pequeñas láminas o discos sobre la matriz de fase β que no se ha transformado. Estas láminas contienen, generalmente, una alta densidad de dislocaciones y, a veces, maclas.

La martensita puede presentarse como martensita masiva o martensita acicular. La martensita masiva, que sólo aparece en titanio puro o aleaciones con una

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concentración de elementos aleantes muy baja, consiste en grandes regiones irregulares en las que no se observa una estructura interna al microscopio, pero que, sin embargo, contienen paquetes de pequeñas láminas de fase α con orientación casi paralela. Por otro lado, la martensita acicular, la más común de las dos, presenta una mezcla de láminas de fase α, algo mayores y más alargadas que las de la martensita masiva y con una distribución aleatoria de sus direcciones, como se muestra en la fig. 2.5:

Figura 2.5 - Martensita Acicular2 En cuanto a la temperatura de transformación martensítica, ésta depende de la

composición del titanio, estando en torno a los 850ºC para el titanio comercialmente puro. Esta temperatura se eleva o disminuye añadiendo elementos de aleación estabilizadores de la fase α o la fase β, respectivamente.

2.3.4. Propiedades Mecánicas

El titanio es, en general, un metal resistente, duro, dúctil y maleable. Los valores característicos de resistencia, límite elástico, alargamiento y dureza dependen notablemente de su composición, ya que la presencia de elementos intersticiales, así como de otros elementos metálicos, tiene una gran influencia en estas propiedades.

En este sentido, la normativa ASTM clasifica los titanios según diferentes grados dependiendo de su composición y límite elástico mínimo, siendo los llamados titanios comercialmente puros, “Ti CP”, los titanios de grado 1, 2, 3 y 4, en orden descendente según su nivel de pureza (ver tab. 2.3).

Grado O (max. %) Fe (max. %) Dureza [HV] Límite elástico mín. [MPa]

1 0,18 0,2 120 170 2 0,25 0,30 275 3 0,35 0,30 380 4 0,40 0,50 260 480

Tabla 2.3 - Composición y algunas propiedades mecánicas de los Ti CP3

Las impurezas suelen consistir, fundamentalmente, en hierro, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y carbono. El hierro influye, principalmente, en la resistencia a la corrosión, de manera negativa. En cuanto a los elementos no metálicos, éstos se disuelven intersticialmente en el titanio, dándole una mayor resistencia y una mayor

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dureza a tenor de una menor plasticidad, como se muestra a continuación en las tablas 2.4, 2.5 ,2.6 y 2.7, donde se indican las propiedades mecánicas de los Ti Cp:

Grado ASTM Resistencia (MPa) Límite elástico (MPa)

1 240 170-310 2 345 275-450 3 440 380-550 4 550 480-655

Tabla 2.4 - Resistencia y límite elástico de los Ti CP3

Resistencia 240 MPa

Límite elástico mín. 170 MPa Alargamiento 50%

Dureza 70 HRB, 120 HV

Tabla 2.5 - Propiedades mecánicas de Ti CP 13

Resistencia 345 MPa Límite elástico mín. 275 MPa

Alargamiento 20% Dureza 80 HRB

Tabla 2.6 - Propiedades mecánicas de Ti CP 23

Resistencia 550 MPa Límite elástico mín. 480 MPa

Alargamiento 15% Dureza 100 HRB, 260 HV

Tabla 2.7 - Propiedades mecánicas de Ti CP 43

Los titanios CP presentan una microestructura de tipo α y se utilizan en

aplicaciones donde se requiere una resistencia mecánica moderada combinada con una alta resistencia a la corrosión, una buena conformabilidad y una buena soldabilidad.

Si se desea elevar la resistencia mecánica (aunque ya de por sí el Ti CP 4 tiene una resistencia apreciable, equivalente a la de los aceros), se puede disolver otros elementos en la red del titanio, bien intersticialmente, en el caso de los elementos no metálicos, o bien por sustitución, en el caso de los elementos metálicos. Éstos últimos son los que tienen una mayor influencia en los tratamientos térmicos para modificar las propiedades mecánicas, ya que dependiendo del metal de aleación, se favorece la fase α o la fase β del titanio. En cualquier caso, siempre que se realice un calentamiento, éste debe desarrollarse en atmósfera inerte o en vacío, debido a la influencia en las propiedades mecánicas de los elementos gaseosos intersticiales.

2.4. Procesado del Titanio

Además de su composición, los procesos térmicos y mecánicos a los que se somete el titanio determinan las propiedades finales de las piezas fabricadas con este metal, haciendo que éstas sean idóneas para cumplir con una cierta tarea o finalidad. Se

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comentan, a continuación, algunos de los procesos principales de la Metalurgia aplicados, en particular, al titanio:

• Fundición y Moldeo

La fundición y moldeo del titanio es más dificultosa que la de otros metales, debido a su gran reactividad química con el oxígeno, el nitrógeno y otros elementos gaseosos intersticiales a altas temperaturas, así como también con los materiales que normalmente componen crisoles y moldes. Por tanto, entre otras premisas, la fusión del titanio debe realizarse en vacío y en crisoles de grafito.

Como contrapartida, este procedimiento permite fabricar piezas de diseño complejo, más difíciles de producir mediante otros procedimientos, como la forja o el mecanizado.

• Pulvimetalurgia

La metalurgia de polvos permite aplicaciones parecidas a las de la fundición y moldeo, ofreciendo además las siguientes ventajas:

- Los inconvenientes causados por la elevada reactividad del titanio a altas temperaturas son menores, ya que no se llega a fundir el metal y las temperaturas alcanzadas son inferiores.

- Las piezas fabricadas tienen un buen comportamiento mecánico, similar al de las piezas forjadas.

- Se consiguen piezas muy homogéneas, siendo ésta una característica especialmente valorada cuando se emplea el titanio, ya que éste presenta cierta tendencia a adquirir textura y mostrar anisotropía en su comportamiento mecánico.

- Es el procedimiento más económico, frente a la fundición y moldeo, la forja y el mecanizado.

Por lo tanto, la pulvimetalurgia es una opción muy interesante y a tener en cuenta cuando se trabaja con el titanio, especialmente en el caso de piezas complejas de espesores muy pequeños. El principal hándicap de este procedimiento radica en la existencia de porosidad en las piezas fabricadas, la cual afecta al comportamiento mecánico y a la resistencia a la corrosión.

• Forja

El titanio muestra una plasticidad y capacidad de deformación en frío limitada, ya que, a temperatura ambiente, forma de manera estable la fase α, de red cristalina hexagonal. Como ya se ha visto, este tipo de estructura cristalina se caracteriza por ser poco deformable y originar anisotropía en el comportamiento mecánico.

Por tanto, cuanto mayor sea la cantidad de fase α presente, menor será la deformabilidad en frío y mayor la tendencia a adquirir textura. Las diferencias en las propiedades mecánicas según la dirección pueden llegar a ser del 50% en valores resistivos y de fatiga, y del 100% en valores de plasticidad.

Sin embargo, el titanio sí presenta buena deformabilidad en caliente, gracias a su propiedad de alotropía, en virtud de la cual, se produce la transformación de fase α en fase β, de red cristalina cúbica centrada en el cuerpo, cuando se realiza un calentamiento por encima de la temperatura de transformación alotrópica. Como ya se

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indicó, la fase β es isótropa en su comportamiento mecánico y más fácilmente deformable.

Se ha de destacar que el forjado en caliente del titanio exige un control riguroso de la temperatura, debido a la influencia de ésta en la microestructura y, por tanto, las propiedades.

• Mecanizado

Las piezas de titanio no son, a priori, fácilmente mecanizables, debido a la alta dureza de este metal.

Además, el titanio muestra una cierta tendencia a reaccionar con los materiales que comunmente componen las herramientas de corte y, por otro lado, su bajo módulo elástico posibilita que puedan producirse deformaciones no deseadas.

Asimismo, su baja conductividad térmica favorece calentamientos locales en la zona de corte y dificulta la refrigeración. Puesto que además este metal conserva su dureza y resistencia a altas temperaturas, las máquinas de corte se ven sometidas a exigentes condiciones de funcionamiento, hecho que da mayor importancia, si cabe, a la elección de los parámetros de corte y la refrigeración.

• Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos del titanio y sus aleaciones permiten, en virtud de su ya mencionada propiedad de alotropía, operar cambios en su microestructura e influir así en su comportamiento mecánico.

Como puntos a favor, la transformación alotrópica tiene lugar con pequeñas variaciones de volumen y, por otro lado, el bajo coeficiente de dilatación evita problemas de fragilidad de contracción, así como también problemas de tensiones asociadas a cambios de temperatura.

Sin embargo, la baja conductividad térmica dificulta la consecución de enfriamientos rápidos en los temples y origina problemas de calentamientos locales.

Químicamente, el titanio muestra una gran capacidad para disolver elementos por sustitución e inserción, presentando éstos diferentes solubilidades dependiendo de la temperatura y la fase en la que se disuelven. Como ya se ha visto, estos elementos tienen una gran influencia en las propiedades mecánicas, con lo cual se tiene un amplio abanico de posibilidades a la hora de modificar las propiedades mecánicas del titanio mediante su aleación con otros elementos y la realización de tratamientos térmicos. No obstante, la facilidad para disolver elementos intersticiales a altas temperaturas es un inconveniente en la mayoría de los casos y obliga a realizar estos tratamientos en vacío o atmósfera inerte.

• Soldadura

Sólo presentan buena soldabilidad las aleaciones de tipo α o con menos de un 20% de fase β, siendo necesario, en cualquier caso, un tratamiento posterior de eliminación de tensiones que asegure la fiabilidad y resistencia de las uniones soldadas.

2.5. Comparación con otros metales Una vez indicadas las principales propiedades del titanio, se comparan éstas con

las de otros metales también ampliamente utilizados en la industria y la ingeniería:

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1) El titanio, al igual que el magnesio y el aluminio, es considerado como un metal ligero, frente a otros metales y aleaciones más pesadas, como por ejemplo, los aceros.

2) Entre todas las aleaciones ligeras, las aleaciones de titanio son las que poseen una mayor resistencia mecánica, siendo ésta similar a la de los aceros.

3) Su ligereza y gran resistencia mecánica convierten a las aleaciones de este metal en aquellas que ofrecen una mejor resistencia específica, es decir, una mejor resistencia por unidad de masa. Por tanto, se trata de un material especialmente apto para su uso en estructuras ligeras, siendo ésta su aplicación principal.

4) El titanio posee, a temperatura ambiente, un módulo elástico menor que el de los aceros, del orden de la mitad, y el mayor entre los metales ligeros, siendo su valor aproximadamente el doble que el del aluminio, por ejemplo.

5) Las aleaciones de titanio son las únicas aleaciones ligeras que no presentan problemas de fragilidad de contracción, comunes en las aleaciones de aluminio y magnesio, y que pueden tratarse térmicamente con transformación total, como los aceros.

6) La temperatura de fusión del titanio es moderadamente alta, de manera que no dificulta excesivamente los tratamientos térmicos y, por otro lado, ayuda a que este metal y sus aleaciones tengan un buen comportamiento a altas temperaturas, hasta, aproximadamente, los 500ºC.

7) La plasticidad y capacidad de deformación en frío del titanio es inferior a la de los aceros y, sobre todo, a la del aluminio. Sin embargo, en caliente, mejora su capacidad de deformación, siendo del orden de la de los aceros inoxidables y mostrando, en algunos casos, el fenómeno de superplasticidad. 8) El mecanizado de piezas de titanio no es sencillo a priori, planteando dificultades similares al de los aceros inoxidables y aleaciones de aluminio.

9) La resistencia a la corrosión es excelente, lo que justifica el otro gran campo de aplicación del titanio, además de las estructuras ligeras, la industria química. 10) El titanio presenta una baja conductividad eléctrica, lo que lo inhabilita para ciertas aplicaciones. Ésta puede ser mejorada mediante la deposición de recubrimientos superficiales.

2.6. Aplicaciones

El titanio y sus aleaciones muestran un conjunto de propiedades que hace de ellos materiales especialmente aptos para ciertas aplicaciones y que compensa, en estos casos, su alto precio. Algunas de estas aplicaciones, las más importantes, se resumen a continuación:

• Industria Aeronáutica y Espacial

En la actualidad, las industrias aeronáutica y espacial consumen aproximadamente la mitad de la producción mundial de titanio metálico, lo que las convierte en su principal aplicación.

Históricamente, el peso de la estructura de las aeronaves, así como el de su maquinaria, siempre ha sido uno de los mayores factores condicionantes en su diseño, ya que un peso más reducido permite el uso de motores más pequeños y, por lo tanto, de menor consumo de combustible.

Pero simultáneamente, se exige también que los materiales empleados tengan un comportamiento mecánico lo suficientemente bueno como para ser capaces de soportar

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las condiciones de funcionamiento y navegación, y ofrecer la máxima fiabilidad y seguridad posibles. En este sentido, la alta resistencia mecánica del titanio, unido a su baja densidad frente a otros metales, así como otras propiedades adicionales, captaron el interés de la industria aeronáutica, siendo ésta la primera en ensayarlo y aplicarlo como material componente de varios elementos, tanto de carácter estructural como de carácter mecánico.

Actualmente, en aviación civil, las aleaciones de titanio se emplean en casos en los que se requiere, en general, una buena resistencia mecánica y un peso limitado, y en los que, adicionalmente, se necesita también un buen comportamiento frente a ciertas condiciones. Un ejemplo de ello es el uso de aleaciones de titanio como componente de los álabes de las turbinas de los motores, los cuales trabajan, habitualmente, con una alta solicitación mecánica en condiciones de altas temperaturas y ambiente corrosivo.

En aviación militar, el uso del titanio y sus aleaciones es aún mayor, sobre todo en cazas de combate, en los cuales el titanio puede llegar a representar la mitad de su peso. La gran maniobrabilidad de los cazas, así como las altas velocidades de crucero que son capaces de desarrollar, se traducen, a veces, en condiciones muy exigentes de navegación, en las que se producen fuertes cargas mecánicas y térmicas sobre el aparato. Así pues, por razones de diseño, convienen, en general, materiales ligeros y de altas propiedades.

Por motivos similares, el titanio es empleado también en misiles, cohetes espaciales y satélites.

• Industria Química y Energética

El buen comportamiento del titanio frente a la corrosión hace que éste sea ampliamente utilizado por las industrias química y de generación de energía, donde son habituales los ambientes corrosivos. La mayor inversión inicial que supone elegir el titanio como material estructural es amortizada por el menor mantenimiento y la mayor vida en servicio de las piezas de titanio, así como por un menor número de paradas para hacer reparaciones.

En la industria del petróleo, esta resistencia superior a la corrosión permite el procesado de crudos de inferior calidad, con altos contenidos de azufre y otros elementos no deseados.

En la industria energética, el titanio se emplea formando parte de intercambiadores de calor y sistemas de filtrado de gases residuales, tales como dióxido de azufre. También se utiliza, cada vez con mayor frecuencia, sustituyendo al acero en álabes de turbinas de vapor, ya que es más ligero, posee una resistencia mecánica similar y presenta un comportamiento superior frente a la corrosión por cloruros, corrosión fatiga y corrosión bajo tensiones.

La buena resistencia a la corrosión en presencia de agua de mar, aguas salobres o aguas contaminadas, es aprovechada así mismo en los tramos más críticos de plantas desaladoras, en los que el titanio manifiesta no sólo una buena resistencia a la corrosión sino también a la cavitación y a la erosión causada por arena u otros sólidos en suspensión.

• Otras aplicaciones

En aplicaciones médicas, el titanio muestra una excelente biocompatibilidad. Su no toxicidad, su notable resistencia a la corrosión, su compatibilidad con tejidos y hueso y el hecho de que no induce la formación de tejido fibroso a su alrededor, lo convierten

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en un metal excelente para su uso en prótesis óseas, dentales y en otras aplicaciones en traumatología.

Dado su buen comportamiento en ambientes marinos, el titanio es también utilizado por la industria naval, sobre todo en el ámbito de la navegación submarina, donde el uso de titanio en cascos y cámaras de presión ha permitido alcanzar mayores profundidades de inmersión.

En el ámbito militar, se utiliza en la construcción de misiles, cazas de combate, portaviones, submarinos nucleares, así como material de blindaje en carros de combate.

También se encuentra al titanio en una gran variedad de artículos deportivos, tales como palos de golf, bicicletas, esquís, equipos de escalada, equipos de submarinismo, etc. Asimismo, se utiliza en relojes de pulsera y en artículos de joyería y bisutería, como metal seminoble.

3. La Sinterización por Resistencia Eléctrica

3.1. Historia y aplicaciones de la Pulvimetalurgia La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es la rama de la Metalurgia que trata sobre la fabricación de piezas a partir de polvos metálicos, y que comprende la producción de éstos, su caracterización y su transformación en piezas compactas. Los primeros antecedentes históricos de técnicas pulvimetalúrgicas se remontan a la época del antiguo Egipto, hace varios miles de años. Se han encontrado objetos y utensilios provenientes de esta civilización hechos a partir de polvos de hierro. Otro antecedente temprano y muy llamativo es el Pilar de Delhi, en la India, de 7.5 m de altura y que data, aproximadamente, del año 300 d.c. Este pilar de hierro fue construido mediante la forja de pequeños aglomerados de hierro esponja presentes en la región y se ha mantenido incólume durante siglos sin corroerse. En la América Precolombina, los Incas desarrollaron técnicas rudimentarias pero eficaces de sinterización para la creación de joyas y objetos ceremoniales de oro y platino. Las primeras investigaciones científicas serias en el campo de la metalurgia de polvos tienen lugar en Rusia e Inglaterra, durante el siglo XIX. Destacan los trabajos del inglés Wollaston y el ruso Sobolevsky sobre el tratamiento de polvos de platino. En el año 1.909, el inglés William D.Coolidge realiza el descubrimiento que marca para muchos el inicio de la pulvimetalurgia moderna. Usando polvos de wolframio, éste logra fabricar un filamento dúctil y duradero para la lámpara incandescente de Thomas Edison. Este descubrimiento hace posible la expansión de la bombilla eléctrica. En el año 1.923, Karl Schrotter, ingeniero jefe de la fábrica berlinesa de bombillas Osram, consigue producir un metal duro como el diamante y con una cierta tenacidad, a partir de polvos de carburo de wolframio y una pequeña cantidad de polvos de cobalto, que actúan como aglomerante. Este material es denominado widia, acrónimo del alemán “wie diamant”. Las plaquitas de corte de widia para el mecanizado de metales tienen un éxito inmediato, sustituyendo rápidamente a las de diamante natural por su menor coste económico.

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Figura 2.7

Pilar de Delhi William D.Coolidge Bombillas OSRAM 1.911 Patente de la widia

A partir de ese momento, los productos pulvimetalúrgicos comienzan a ser

utilizados en diversos campos de la ingeniería. Hoy en día, el uso de las técnicas pulvimetalúrgicas está justificado en muchos casos por ser una opción más económica y eficiente que los procedimientos tradicionales de fundición o mecanizado. Además, la pulvimetalurgia posee también ciertas aplicaciones específicas, como son:

- Metales compuestos duros, formados usualmente por carburos metálicos y

cobalto como agente cementador. Se emplean, sobre todo, en herramientas de corte para el mecanizado de metales y también como forro resistente al desgaste en ciertas aplicaciones.

- Procesado y tratamiento de metales refractarios. - El control sobre la porosidad de las piezas fabricadas permite la producción

de cojinetes, engranajes y filtros porosos. Los primeros, denominados cojinetes de autolubricación, se utilizan extensamente en la industria automotriz y en máquinas lavadoras, refrigeradores, etc. Los filtros de metal, utilizados en la industria química, son similares al tipo cerámico, pero tienen una mayor resistencia a impactos y variaciones bruscas de temperatura.

- Materiales compuestos metal-no metal. Se emplean, por ejemplo, en revestimientos de embragues y zapatas de freno, asegurando una cierta fricción, un buen contacto y una buena conductividad del calor. Otro ejemplo de aplicación es la fabricación de contactores eléctricos de cobre-grafito.

- Materiales compuestos metal-cerámica, conocidos como Cermets o cerámicas técnicas. Aseguran dureza, ligereza y alta resistencia al calor, y se busca que posean además una alta resistencia mecánica. Actualmente, es uno de los principales campos de investigación en pulvimetalurgia.

- Aleaciones de metales no solubles en estado líquido o que forman monotécticos. La pulvimetalurgia permite realizar e investigar estas composiciones.

3.2. El Prensado en Caliente

Tradicionalmente, el procedimiento de transformación seguido en Pulvimetalurgia, comúnmente denominado como sinterización convencional, consta de dos etapas:

1) Prensado en frío. Se comprimen los polvos a temperatura ambiente, obteniendo un precompacto o compacto en verde. 2) Sinterización en horno. Se aporta calor al precompacto durante un cierto tiempo y a una cierta temperatura, en un horno.

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Una variante del procedimiento convencional es el prensado en caliente o hot pressing, en el cual se unifican en una sola etapa el prensado y la sinterización.

El prensado en caliente permite alcanzar densificaciones totales o casi totales. Cuanto más alta es la temperatura de trabajo y más se aproxima a la temperatura de fusión del metal en polvo, menor es la resistencia de éste a la deformación, con lo que pueden lograrse altas densificaciones empleando presiones relativamente bajas. El principal atractivo de esta técnica no reside en el hecho de que con ella puedan emplearse presiones más bajas, sino en la posibilidad de alcanzar las densidades teóricas con presiones prácticas. Otras ventajas de esta variante frente al procedimiento convencional son:

- Por medio del prensado en caliente se combinan en un solo paso el prensado y la sinterización, por lo que se elimina una etapa de procesado.

- Se minimizan los cambios dimensionales (shrinkage). El compacto prensado en caliente tiene forzosamente las dimensiones deseadas.

- Los polvos de ciertos materiales no pueden ser consolidados mediante el prensado en frío seguido de sinterización, pero sí mediante el prensado en caliente.

- Muchas propiedades físicas de los compactos mejoran al seguir este procedimiento.

Sin embargo, al elegir el prensado en caliente se tienen también los siguientes inconvenientes:

- Los ritmos de producción son bajos. En el procedimiento convencional, las

máquinas automáticas de prensado en frío son capaces de compactar gran cantidad de piezas en verde, que son, a continuación, sinterizadas en grupos.

- Como consecuencia de la alta temperatura, puede producirse la soldadura indeseada del polvo con las paredes de los troqueles. Por lo tanto, toman especial relevancia la lubricación y la elección de los materiales de la matriz, los cuales deben ser mecánicamente resistentes, inertes químicamente y resistentes al desgaste, a altas temperaturas.

- Otro inconveniente derivado de trabajar con temperaturas muy por encima de las ambientales es la necesidad de proteger al polvo con una atmósfera adecuada mientras dura el proceso.

Atendiendo a la forma en que se ejerce presión, se distinguen dos modalidades

de prensado en caliente:

1) Prensado uniaxial en caliente (Axial Hot Pressing). El polvo es colocado en una matriz rígida y compactado en caliente mediante la acción de unos punzones. 2) Prensado isostático en caliente (Hot Isostatic Pressing). El proceso de compactación en caliente es realizado en condiciones de presión isostática. El aporte de calor suele llevarse a cabo de manera indirecta, a través del fluido de trabajo. El procedimiento ensayado en el presente proyecto se encuadra dentro de las

técnicas de prensado uniaxial en caliente. Éste puede realizarse con calentamiento directo o indirecto del polvo:

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• Calentamiento indirecto

El aporte de calor al polvo se realiza calentando la matriz que lo contiene. La forma más simple de hacerlo es introducir la matriz en el interior de un horno, para luego trasladarla a una prensa mientras todavía se mantiene caliente y compactar allí el polvo. Este sencillo procedimiento plantea, sin embargo, algunos inconvenientes:

- Las matrices deben ser resistentes a altas temperaturas, para soportar su manipulación y traslado. Por lo tanto se opta por matrices metálicas, que son más pesadas y más caras.

- El horno debe ser lo suficientemente potente como para calentar las masas metálicas de las matrices en tiempos razonables.

- Dado el peso y las altas temperaturas de las matrices, son necesarios equipos auxiliares que permitan el traslado hasta las prensas.

- Como consecuencia, los ritmos de producción resultantes son bajos.

Una variante de este procedimiento, menos simple pero que acaba con la mayoría de inconvenientes anteriores, consiste en aportar calor a la matriz a la vez que se ejerce presión sobre el polvo. Ello puede realizarse adosando un horno a la matriz o cualquier otro sistema de calentamiento. Al no tener que trasladar las matrices, pueden alcanzarse temperaturas más altas que permiten emplear presiones más bajas de trabajo, con lo cual las matrices pueden ser menos resistentes y, por lo tanto, más baratas.

• Calentamiento directo

Como ya se ha indicado, uno de los principales inconvenientes del prensado en caliente es encontrar materiales adecuados para los troqueles. El calentamiento directo del polvo permite suavizar las exigencias sobre los materiales y atenuar este inconveniente. Además, se reduce el consumo energético del proceso, por su propia termodinámica y porque no existe la necesidad de calentar las matrices, con lo cual éstas pueden ser térmicamente aislantes, minimizándose así las pérdidas calóricas por radiación.

El calentamiento directo del polvo se consigue mediante fenómenos eléctricos, bien por inducción o bien por efecto Joule.

En el calentamiento directo por inducción, las matrices y punzones empleados son cerámicos, puesto que deben ser no conductores, y las frecuencias de trabajo son del orden de megahercios. Se consigue un calentamiento muy rápido, pero el control de la temperatura es complejo y los equipos necesarios para proporcionar la alta frecuencia suelen ser costosos.

En el calentamiento directo por efecto Joule o resistencia eléctrica se hace pasar una corriente eléctrica a través del polvo, el cual se calienta por efecto Joule, mientras que, simultáneamente, se puede estar aplicando presión sobre el mismo. Básicamente, éste es el procedimiento empleado en el presente proyecto para sinterizar el polvo de titanio aditivado y se expone con más detalle a continuación, así como una breve cronología histórica del mismo.

3.3. La Sinterización por Resistencia Eléctrica La sinterización por resistencia eléctrica (S.R.E.) es una técnica de prensado en

caliente por la cual se hace pasar una corriente eléctrica alterna de elevada intensidad a

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través del polvo a la vez que se le aplica presión. El aporte de calor al polvo se consigue con la energía calórica disipada por efecto Joule.

De esta técnica cabe destacar los siguientes aspectos:

- Es adecuada tanto para polvos sin compactar como para precompactos. - Los polvos deben ser eléctricamente conductores, al igual que los punzones. - La matriz contenedora debe ser eléctricamente aislante. - Los polvos y la matriz están fríos inicialmente. - Las presiones utilizadas pueden ser altas, aunque inferiores a las empleadas

en el prensado en frío convencional. - Los tiempos de sinterización son extraordinariamente cortos, de fracciones

de segundo o, a lo sumo, unos pocos segundos. Por tanto, no es necesario el uso de atmósferas protectoras.

- El enfriamiento tras la sinterización es muy rápido, similar al de un temple. El uso de este procedimiento plantea a su vez ciertas dificultades:

- La resistencia eléctrica del polvo cambia considerablemente al variar su densidad y temperatura. Se necesitan, por tanto, equipos capaces de controlar la temperatura en condiciones de resistencia eléctrica variable a la vez que aplican una determinada presión. Para tal fin, pueden utilizarse máquinas modificadas de soldadura por resistencia, basadas en el mismo principio, por lo que el coste de estos equipos, aunque no es reducido, suele ser menor que el de los empleados en el calentamiento por inducción.

- La medida de la temperatura y su distribución en el interior del compacto, así como su evolución, es muy compleja, a causa de la rápida cinética del proceso y la irregularidad de la distribución. Esta irregularidad es debida tanto al enfriamiento causado por el contacto con la pared de la matriz contenedora, como también a la propia naturaleza física del proceso, que además de la disipación de energía por efecto Joule, provoca otros efectos secundarios, tales como microdescargas entre partículas, fusiones parciales y conversiones locales del metal en plasma. No son útiles, por tanto, las herramientas convencionales de medida, tales como pirómetros o termopares.

- Por todo lo mencionado anteriormente, es muy complicada la elaboración de un modelo teórico del proceso que permita la predicción de las propiedades del material resultante. La determinación de éstas solo puede lograrse a través del método de ensayo y error aplicado a cada material. Ello explica porqué en la actualidad este procedimiento, pese a no ser tan reciente, se encuentra en una fase poco desarrollada.

3.4. Evolución histórica de la S.R.E. La sinterización por resistencia eléctrica de polvos metálicos ha sido sugerida

repetidas veces a lo largo del siglo XX. Aparece registrada por primera vez en una patente del año 1.933, en la que su autor, Taylor4, realizó un primer intento utilizando un dispositivo consistente en un tubo de vidrio, que contenía el polvo metálico, taponado por encima y por debajo por dos punzones. El polvo era calentado por el paso

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de la corriente eléctrica a través de él a la vez que se aplicaban presiones, muy bajas, mediante unas palancas. Los tiempos de sinterización eran muy pequeños y la técnica estaba concebida, principalmente, para el prensado en caliente de carburos cementados. En 1.940, Jones5 sugirió la utilización de una máquina de soldadura por puntos para la realización de la S.R.E. Esta idea fue recogida por Cremer6, quien la aplicó a la compactación de polvos de cobre, latón, bronce y aluminio. Para ello, empleaba una matriz metálica separada del polvo por medio de un revestimiento aislante. En 1.945, Ross7 propuso una variante más compleja del método anterior, en la que se utilizaban corrientes y presiones que variaban gradualmente.

En 1.955, Lenel8, profesor del Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York, desarrolló innovaciones que le permitieron aplicar la S.R.E. a polvos de níquel, cobalto, titanio, metales refractarios, carburos cementados y otros CERMETs. Para ello, empleó una matriz metálica que consistía en un zuncho metálico partido que se ajustaba sobre un tubo cerámico, de alúmina. Los electrodos estaban formados por un cilindro de aleación de cobre y una oblea de metal refractario, en contacto directo con el polvo. Utilizando presiones de 80 a 155 MPa y densidades de corriente de 11 a 19 kA/cm2, consiguió tiempos de sinterización de 0.1 a 0.5 s. Lenel introdujo, además, la importante novedad de aplicar dos trenes de corriente, uno de tensión más elevada para producir la ruptura de las resistencias de contacto y otro de menor tensión para evitar la fusión del material. En la década de los 70, se ensaya una variante de este método, conocida como sinterización por chispas (spark sintering), por la cual se provocan descargas de chispas eléctricas entre las partículas de polvo para activar los gases que las rodean y promover así la creación de cuellos de enlace entre ellas. Esta variante, que fue concebida como un proceso más económico y práctico, empleaba corrientes de alta densidad y presiones relativamente bajas, y demostró ampliamente la viabilidad de la sinterización de polvos metálicos en cortos intervalos de tiempo (de 5 a 30 s)9,10,11. Esta y otras investigaciones parecen confirmar además que el tamaño de grano no cambia apreciablemente durante el proceso de sinterización. Los métodos mencionados hasta este punto empleaban una fuente eléctrica de baja tensión y alta intensidad. No obstante, también en la década de los 70, comienzan a ensayarse técnicas en las que la corriente eléctrica procede de la descarga de un banco de condensadores. La corriente aplicada en este caso es de alta tensión y alta intensidad, y el método fue denominado como sinterización por descarga eléctrica (electric discharge sintering). Saito y col.12 comprobaron que los compactos preprensados sometidos a descarga mejoraban notablemente su densificación durante una posterior sinterización tradicional en horno. Concluyeron que la mejora en la densificación se debía a que la descarga lograba eliminar las capas de óxido superficiales de las partículas metálicas, como así lo hacían constar los valores de resistencia eléctrica medidos antes y después de la descarga.

En la década de los 80, Hara y Akechi13 recuperaron las viejas ideas de Lenel y realizaron un amplio estudio metalúrgico de materiales compactados por disipación directa de energía eléctrica a través del espécimen. Entre otras conclusiones, comprobaron que un aumento de la potencia de entrada se traducía en un aumento de la temperatura, la densificación y mejoraba la resistencia a la tracción.

Investigadores soviéticos han desarrollado también extensas investigaciones sobre diversas modalidades de sinterización eléctrica. A principios de los 90, G.L.Burenkov y col.14 estudiaron el empleo de materiales alternativos para los revestimientos de las matrices destinadas a la fabricación de carburos cementados.

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Más recientemente, la sinterización eléctrica se ha venido utilizando en la fabricación de composites y otras aplicaciones dirigidas a mantener un tamaño de grano nanométrico, en las que la rapidez de la técnica empleada resulta de vital importancia.

Referencias _________________________ [1] CHRISTOPH LEYENS, MANFRED PETERS. Titanium and Titanium Alloys, Fundamentals and Applications. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2.003. [2] GERD LÜTJERING, JAMES C. WILLIAMS. Titanium. Springer, 2.003. [3] ASTM B 265-06a: “Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet and Plate”. ASTM International

[4] G.F. TAYLOR. Apparatus for Making Hard Metal Compositions. United States Patent No. 1896854 (February 7, 1.933). [5] W.D. JONES. The Metal Industry (January 1.940, p. 69; March 1.940, p. 255). [6] G.D. CREMER. Powder Metallurgy. United States Patent No. 2355954 (August 15, 1.944). [7] W.F. ROSS. Method and Apparatus for Making Solid Objects from Metal Powders. United States Patent No. 2372605 (March 27, 1.945). [8] F.V. LENEL. J. Metals, 7, 1 (1.955), p. 158-167. [9] R.W. BOESEL, M.I. JACOBSON and I.S. YOSHIDA. Mater. Eng., 70, 4 (1.969), p. 32-37. [10] T. SUZUKI and S.SAITO. J. Japan Soc. Powders and Powder Met., 18 (1.971), p. 28-33. [11] C.G. GOETZEL and V.S. DE MARCHI. Mod. Devel. In Powder Met., 4 (1.971), p. 127-132. [12] S. SAITO, T. ISHIYAMA and A. SAWAOKA. Bull. Tokyo Inst. Of Tech., 120 (1.974), p. 137-142. [13] Z. HARA and K. AKECHI. Titanium´80, 1.982, p. 2.265-2.274. [14] G.L. BURENKOV, A.I. RAICHENKO and A.M. SURAEVA. Sov. Powder Metall. Met. Ceram., 28 (1.989), p. 186-191.