T E S I S · 2017. 11. 15. · espumas fabricadas fue 1% de Carbonato de Calcio (CaCO 3). Se...

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CIUDAD DE MÉXICO, OCTUBRE 2017 T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO EN METALURGIA Y MATERIALES Estudio del Efecto de la Adición de Barita y Wollastonita en la Fabricación de Espumas de AluminioINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS PRESENTAN MONICA IVONNE AMADOR ORTEGA JAIME ALAN COLÍN GARCÍA ASESOR DR. ALEJANDRO CRUZ RAMÍREZ Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales

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  • CIUDAD DE MÉXICO, OCTUBRE 2017

    T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE

    INGENIERO EN METALURGIA Y MATERIALES

    “Estudio del Efecto de la Adición de

    Barita y Wollastonita en la Fabricación

    de Espumas de Aluminio”

    INSTITUTO POLITÉCNICO

    NACIONAL

    ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

    QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

    PRESENTAN

    MONICA IVONNE AMADOR ORTEGA

    JAIME ALAN COLÍN GARCÍA

    ASESOR

    DR. ALEJANDRO CRUZ RAMÍREZ

    Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales

    https://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiT4Z_srfjUAhWDYiYKHdC_DSUQjRwIBw&url=https://sites.google.com/site/matematicasesiqieipn/&psig=AFQjCNG6sDQ8xuKhG1rQ5wVFlunJKXNk7w&ust=1499557628079400https://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiT4Z_srfjUAhWDYiYKHdC_DSUQjRwIBw&url=https://sites.google.com/site/matematicasesiqieipn/&psig=AFQjCNG6sDQ8xuKhG1rQ5wVFlunJKXNk7w&ust=1499557628079400

  • Agradecimientos

    El tiempo como dimensión física solo medido con la realidad que aportan los sentidos del

    humano se mostró veloz ante dos personas que un día imaginaron caminar por el sendero

    de esta prestigiosa institución y en un lapso casi instantáneo se sumergieron en una

    aventura de conocimiento y realización personal. Es inevitable mirar con nostalgia las

    instalaciones de la ESIQIE y darse cuenta que, aunque todo se ha ido en un abrir y cerrar

    de ojos, el camino fue largo y complicado, pero muchas personas, profesores,

    compañeros etc., aportaron diferentes valores a nuestras vidas. Aún falta mucho que

    experimentar, pero hoy queremos ofrecer reconocimiento a todas las personas que

    proporcionaron su avidez para ayudarnos a alcanzar esta meta.

    A nuestra familia

    Por su apoyo incondicional y su gran esfuerzo para impulsarnos a salir adelante,

    permitiéndonos forjar nuestro camino como personas y animarnos cada día a no darnos

    por vencidos, logrando así aferrarnos a nuestros sueños.

    A nuestros profesores

    A todos aquellos profesores de esta excelente carrera que nos transmitieron su

    conocimiento con paciencia e ímpetu y nos dieron las llaves para realizarnos

    profesionalmente.

    A el IPN y la ESIQIE

    Gracias a esta gran y prestigiosa institución por permitirnos formar parte de ella y a la

    escuela que nos brindó momentos inolvidables durante nuestros estudios en estos

    últimos años, que se han quedado impregnados en nuestros corazones.

    A el Ingeniero Israel Guadarrama Hernández

    Por su tiempo y apoyo en el desarrollo experimental de esta tesis, brindándonos su

    consejo y amplia experiencia, tomando medidas de seguridad necesarias para

    resguardar nuestra integridad física.

  • A la Ingeniera Ivon Contreras Hernández

    Por toda su colaboración y ayuda en general durante el desarrollo de esta tesis,

    regalándonos su tiempo, dedicación y esfuerzo que sirvieron para agilizar el trabajo aquí

    presentado.

    A el Dr. Alejandro Cruz Ramírez

    Gracias a nuestro profesor y asesor de tesis que nos brindó su tiempo, conocimiento,

    experiencia, enseñanzas y orientación en base a esta investigación, permitiéndonos

    poner a prueba los conocimientos adquiridos. Ha sido un pilar para nuestra motivación

    en el desarrollo de este tema.

  • Contenido

    Índice de Tablas ................................................................................................................ i

    Índice de Figuras .............................................................................................................. ii

    Resumen ......................................................................................................................... vi

    1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 7

    2. ANTECEDENTES .................................................................................................... 10

    2.1. Espumas metálicas ........................................................................................... 10

    2.1.1. Estructura ...................................................................................... 11

    2.1.2. Propiedades generales de las espumas metálicas ....................... 12

    2.2. Espumas de Aluminio ........................................................................................ 12

    2.2.1. Obtención de una espuma de Aluminio ........................................ 13

    2.2.2. Propiedades de las espumas de Aluminio .................................... 25

    2.2.3. Aplicaciones de espumas de Aluminio .......................................... 31

    2.3. Estado del arte .................................................................................................. 37

    3. DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................................ 40

    3.1. Materiales y Equipo ........................................................................................... 40

    3.1.1. Materiales...................................................................................... 40

    3.1.2. Equipo ........................................................................................... 42

    3.2. Proceso ............................................................................................................. 46

    3.2.1. Aleación base ................................................................................ 47

    3.2.2. Espumación .................................................................................. 47

    3.2.3. Caracterización de espumas ......................................................... 51

    3.2.4. Caracterización de los agentes espesantes y agente espumante 52

    4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................................. 53

    4.1. Resultados de la composición química de la aleación A-356 ............................ 53

  • 4.2. Resultados de la caracterización de los agentes espesantes y agente

    espumante propuestos ................................................................................................ 53

    4.3. Espumas producidas de la aleación A-356 ....................................................... 57

    4.3.1. Propiedades estructurales de la aleación A-356 ........................... 62

    5. CONCLUSIONES .................................................................................................... 70

    BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 71

  • i

    Índice de Tablas

    No. Descripción

    1 Ventajas y desventajas del proceso DUOCEL………………………………… 16

    2 Ventajas y desventajas del proceso ALPORAS……………………………….. 18

    3 Ventajas y desventajas del proceso GASAR…………………………………... 19

    4 Ventajas y desventajas del proceso HYDRO/ALCAN….……………………... 21

    5 Ventajas y desventajas de proceso ALULIGHT……………………………….. 23

    6 Ventajas y desventajas del proceso FORMGRIP……………………………... 25

    7 Relación 𝐸/𝜌2 para diferentes estructuras de materiales en comparación

    con la espuma de Aluminio…………………………….………………...............

    27

    8 Composición química de la Aleación A-356……………………………………. 47

    9 Parámetros de realización de espumas de la aleación A-356……………….. 47

    10 Composición química de la Aleación A-356 fabricada……………………….. 53

    11 Efecto de la adición de agente espesante sobre las propiedades físicas

    de espumas………………………………………………………………………...

    62

    12 Efecto de la adición de agente espesante en el tamaño de celda…………... 65

  • ii

    Índice de Figuras

    No. Descripción

    1 (a) Metal celular, (b) Espuma metálica, (c) Esponja metálica y (d) Metal

    poroso………………………………………………………………………...........

    11

    2 Micrografías de espumas de Aluminio de celda abierta y cerrada…............. 11

    3 Métodos de producción de espumas metálicas por fusión y por metalurgia

    de polvos………..………………………………………………………………….

    14

    4 Proceso de DUOCEL, usando un polímero como precursor…………..……. 17

    5 Método de espumado de líquidos con agentes espumantes…………..……. 17

    6 Proceso de producción GASAR…………………………….………………….. 18

    7 Estructura de la espuma obtenida por el método GASAR……..……………. 19

    8 Proceso continuo para fabricar espumas por inyección de gas……............. 20

    9 Proceso ALULIGHT por metalurgia de polvos……………………………..…. 22

    10 Espuma de Aluminio obtenida por el proceso ALULIGHT……………..……. 23

    11 Proceso del método FORMGRIP………………………………………............ 24

    12 Distribución de la densidad……………………………………………..………. 26

    13 Diferentes estructuras porosas medidas a diferentes parámetros

    espumantes (temperatura y tiempo)……………………………………………

    26

    14 Propiedades mecánicas de dos espumas de Aluminio con diferente

    densidad (a) Modulo de la elasticidad, (b) conductividad térmica y (c)

    conductividad eléctrica………………………………..………………………….

    28

    15 Coeficiente de absorción de sonido de diferentes espumas de Aluminio de

    densidad 0.5g/cm3 con estructura de poro abierto con diferente diámetro

    de poro (a) en mm, comparado con Aluminio sólido, espuma de PU y

    matriz de fibra de vidrio...………………………………………………………...

    29

    16 Curva de esfuerzo-deformación….…………….………………………………. 30

    17 Chasis de espuma metálica…………………………………………………….. 33

    18 Cono espacial…………………………………………….………………………. 34

    19 Paneles de construcción de espumas de Aluminio…………………………... 36

    20 Agentes espesantes: a) Barita, b) Wollastonita…………………….………… 41

  • iii

    21 Carbonato de Calcio CaCO3…………………………………………............... 41

    22 Pasta de grafito aplicada al molde bipartido………..………………………… 42

    23 Hornos de resistencias; a) Horno usado para fundir lingotes de la aleación

    A-356, b) Horno usado para la espumación……………………………………

    43

    24 Equipo de agitación…………………………….………………………………… 43

    25 Termómetro EXTECH…...………………………………………………………. 44

    26 Molde bipartido……...……………………………………………………………. 44

    27 Microscopio óptico.………………………………………………………………. 45

    28 Diagrama de flujo del Proceso de Fabricación de espumas de la Aleación

    A-356 utilizando agente espesante y espumante……………………………..

    46

    29 Vaciado de metal fundido a molde bipartido..…………................................. 48

    30 Agitación de metal…………………………..………………………………….... 49

    31 Reposo de espumación………..…………………………………….…............. 49

    32 Enfriamiento con agua a presión……..………………………..….…............... 50

    33 Representación del proceso para la realización de una espuma empleando

    un agente espumante………….…………………………………..……………..

    50

    34 Patrones DRX de los agentes espesantes usados, a) Barita y

    b) Wollastonita……………………………………….........................................

    54

    35 Imagen MEB de la morfología (a) de la Barita y microanálisis elemental de

    la Barita para (b) Bario; (c) Estroncio; (d) Azufre y (e) Calcio………………..

    55

    36 Imagen MEB de la morfología (a) de la Wollastonita y microanálisis

    elemental de la Wollastonita para (b) Silicio; (c) Calcio; (d) Oxígeno y (e)

    Magnesio……………………………………………………..………....................

    55

    37 Análisis TGA del Carbonato de Calcio (10° C/min, atmosfera de Argón……. 56

    38 Espumas de aleación A-356 con la adición de agentes espesantes, a) 1%

    de Barita (AB2) y b) 1% Wollastonita (AW2)…………..…..............................

    57

    39 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente

    espumante y 0.5% Barita como agente espesante (AB1). Se observa un

    mayor colapso de poros…………………………………..………………………

    59

  • iv

    40 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente

    espumante y 1% Barita como agente espesante (AB2). Espuma con mayor

    expansión de la serie AB………………………...............................................

    59

    41 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente

    espumante y 1.5% Barita como agente espesante (AB3). En esta espuma

    se generó un vórtice bastante pronunciado………………….…………………

    60

    42 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente

    espumante y 0.5% Wollastonita como agente espesante (AW1). Presenta

    mayor agrietamiento debido al colapso de poros……………………………...

    61

    43 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente

    espumante y 1% Wollastonita como agente espesante (AW2). Espuma sin

    formación de vórtice………………..……………………………………………..

    62

    44 Espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3 como agente

    espumante y 1.5% Wollastonita como agente espesante (AW3). Presenta

    menor fracción metálica y la mayor expansión de ambas series.…………...

    63

    45 Efecto del contenido de los agentes espesantes en la porosidad de las

    espumas fabricadas…………………………………………………...................

    63

    46 Efecto del contenido de los agentes espesantes en la densidad de las

    espumas fabricadas……………………………………………..….....................

    64

    47 Efecto del contenido de los agentes espesantes en la densidad relativa de

    las espumas fabricadas……..…………………………………………………….

    64

    48 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3

    como agente espumante y 0.5% Barita como agente espesante (AB1).

    Tamaño de poro grande respecto a la serie AB………………………..……...

    66

    49 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3

    como agente espumante y 1% Barita como agente espesante (AB2).

    Tamaño de poro intermedio respecto a la serie AB………………………......

    67

  • v

    50 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3

    como agente espumante y 1.5% Barita como agente espesante (AB3).

    Tamaño de poro pequeño respecto a la serie AB……………………..……...

    67

    51 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3

    como agente espumante y 0.5% Wollastonita como agente espesante

    (AW1). Tamaño de poro mayor respecto a la serie AW………………………

    68

    52 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3

    como agente espumante y 1% Wollastonita como agente espesante

    (AW2). Tamaño de poro pequeño respecto a la serie AW, pero con un

    tamaño similar a AW3…………………………………………………………...

    68

    53 Micrografías de la espuma de aleación de Aluminio A356 con 1% CaCO3

    como agente espumante y 1.5% Wollastonita como agente espesante

    (AW3). Tamaño de poro mediano respecto a la serie AW……………………

    69

  • vi

    Resumen

    Las espumas metálicas se caracterizan por tener una estructura porosa, estos metales

    celulares comienzan a utilizarse principalmente en la industria automotriz, aeroespacial y

    de construcción, ya que en comparación con las aleaciones utilizadas convencionalmente

    las espumas metálicas presentan densidades más bajas, mayor capacidad de absorción

    de energía, bajo peso específico etc. Actualmente las espumas de Aluminio están bajo

    estudio debido a que este metal y sus aleaciones tienen una alta demanda comercial,

    debido a sus propiedades y reciclabilidad, por lo que se busca reducir los costos en los

    procesos de fabricación de espumas.

    Se fabricaron dos series de tres espumas metálicas de una aleación de Aluminio A-356

    mediante un proceso por vía liquida, utilizando un agente espesante diferente para cada

    serie. Para la primera serie, denominada “AB” se utilizó como agente espesante Barita

    (BaSO4), donde la espuma “AB1” contiene 0.5%, “AB2” contiene 1% y “AB3” contiene

    1.5%. Por otra parte, para la segunda serie denominada “AW”, se utilizó como agente

    espesante Wollastonita (CaSiO3), donde la espuma “AW1” contiene 0.5 %, “AW2”

    contiene 1% y “AW3” contiene 1.5%. El agente espumante utilizado para todas las

    espumas fabricadas fue 1% de Carbonato de Calcio (CaCO3).

    Se realizaron micrografías de las espumas, se midió el tamaño de poro y se calculó el

    porcentaje de porosidad, donde se encontró que las espumas de la serie de Barita “AB”,

    obtuvieron densidades de entre 0.3 a 0,5 g/cm3, densidades relativas de entre 0.1 a 0.2,

    un porcentaje de porosidad de 79 a 87% y tamaños de celda de 0.2 a 0.5 mm, mientras

    que para la serie de Wollastonita “AW”, las densidades fueron de entre 0.4 a 0.5 g/cm3,

    densidades relativas de 0.1 a 0.2, un porcentaje de porosidad de 79 a 83% y por último,

    tamaños de celda en un intervalo de entre 0.4 a 0.5 mm.

    Se compararon las propiedades antes mencionadas de ambas series. La serie de

    espumas con Wollastonita muestra una mayor expansión de metal con un intervalo de 11

    a 15 cm y con poros regulares, en comparación con las espumas de la serie Barita que

    obtuvieron menor expansión en un intervalo de 10 a 12.5 cm y sus poros son bastante

    irregulares y parcialmente cerradas.

  • 7

    1. INTRODUCCIÓN

    Actualmente la tecnología avanza de manera exponencial lo cual permite la fabricación e

    innovación de nuevos materiales, inspirados por la propia naturaleza, en donde los

    investigadores buscan emular este tipo de estructuras complejas generando así

    materiales con mejores propiedades tanto físicas y químicas, con una amplia gama de

    aplicaciones, logrando sustituir a los materiales convencionales (1).

    Las aleaciones metálicas se caracterizan por ser materiales con una gran resistencia y

    un desempeño elevado en aplicaciones ingenieriles; sin embargo, sus propiedades

    pueden ser mejoradas por los metales celulares, los cuales son relativamente nuevos

    materiales con propiedades prometedoras; estos metales se caracterizan por ser

    ultraligeros, resistentes, rígidos deformables, absorben energía al impacto, absorben

    energía acústica etc., esto es debido a su particular estructura celular.

    Los metales celulares se dividen en tres tipos:

    a) Espumas metálicas. Se originan desde el metal líquido y por consiguiente tienen una

    morfología limitada, su estructura se basa en un conjunto de poros parcialmente

    cerrados.

    b) Esponjas metálicas. Sus poros se encuentran interconectados lo cual forma una

    estructura de poros abiertos.

    c) Metales porosos. Estos metales presentan poros habitualmente redondos y se

    encuentran aislados unos de otros (2).

    Debido a su estructura celular cerrada las espumas metálicas basan sus aplicaciones en

    funciones de tipo estructural principalmente por su absorción de energía al impacto de

    forma homogénea en cualquier dirección y reduciendo la densidad drásticamente lo que

    conlleva a estructuras bastante ligeras.

    Para fabricar espumas metálicas actualmente existen tres métodos: por fusión (vía

    líquida), que son los métodos más relevantes debido a su factibilidad y menor costo, por

    metalurgia de polvos y finalmente por depositación fase-vapor (procesos de elevado

    costo).

  • 8

    El método por vía líquida se divide en dos medios: el primero por preformas celulares, es

    decir se coloca una preforma polimérica que posteriormente es removida como en el caso

    del proceso DUOCEL o sin remover la preforma celular mediante el proceso SINTATIC.

    El segundo medio consiste en utilizar un gas que puede ser generado dentro de la masa

    metálica mediante la descomposición de un agente espumante como en el proceso

    ALPORAS o mediante solidificación eutéctica conocido como el proceso GASAR y

    finalmente por inyección de un gas en el proceso HYDRO/ALCAN (3).

    En estos procesos se obtienen en general valores aproximados de las siguientes

    propiedades: densidades en el intervalo de 0.05 a 1.2 g/cm3, tamaño de poro desde 10

    ɥm hasta 10 mm y una porosidad de 50 a 97%. Sin embargo, estos procesos son

    costosos debido a los equipos y reactivos utilizados.

    En la literatura se reporta la fabricación de espumas de Aluminio por los procesos antes

    mencionados. ALPORAS es un proceso utilizado industrialmente debido a su gran

    producción en masa, sin embargo, los aditivos como el TiH2 utilizado como agente

    espumante y Alúmina (Al2O3), Calcio (Ca) y Magnesia (MgO) como agentes espesantes,

    son muy costosos y la información de este proceso es muy limitada. Es por ello, que se

    han realizado estudios para sustituir dichos aditivos, como es el caso de la investigación

    independiente de V. Kevorkijan (3) que demostró con éxito que el TiH2 puede ser sustituido

    por CaCO3 obteniendo las mismas propiedades estructurales en las espumas metálicas.

    Del mismo modo M. González y colaboradores (4), comprobaron la viabilidad de utilizar

    Barita y Wollastonita como agentes espesantes alternativos sustituyendo a los aditivos

    usados industrialmente, reduciendo aún más los costos de producción.

    En este trabajo se fabricaron espumas de una aleación de Aluminio A-356 con una

    estructura de celda cerrada y uniforme, utilizando un método directo de fusión por

    descomposición de un agente espumante. El proceso utilizado fue el llamado Alporas. Se

    utilizaron dos agentes espesantes alternativos (Barita y Wollastonita) a los utilizados

    comercialmente, Al2O3, Ca, MgO, etc. Para elevar la viscosidad del metal y

    posteriormente adicionar Carbonato de Calcio (CaCO3) como agente espumante, el cual

    se descompone térmicamente a las temperaturas del proceso, liberando burbujas de gas

    CO2, que propician la formación de la estructura porosa de la aleación.

  • 9

    Se llevaron a cabo pruebas con porcentajes variables de dos agentes espesantes

    diferentes (Barita y Wollastonita) y se determinaron las propiedades estructurales de las

    espumas fabricadas.

  • 10

    2. ANTECEDENTES

    2.1. Espumas metálicas Los metales celulares son materiales metálicos con una morfología porosa como se

    muestra en la Fig. 1. El término más general para referirse a los metales celulares es el

    de un cuerpo metálico en el cual un gas es dispersado. La fase metálica se divide en

    espacios de celdas cerradas las cuales contienen la fase gaseosa. En un sistema ideal,

    las células individuales están separadas una de la otra por metal, pero en realidad esto

    no sucede (Fig. 1a). A pesar de que el interés en el uso de este tipo de materiales se ha

    ido incrementado, existe confusión en lo que se refiere al término de metal celular, ya que

    dependiendo el tipo de celda se tiene un nombre distinto, por lo que Banhart (1, 2) propuso

    varias definiciones:

    a) Espuma metálica (sólida): son casos especiales de metales celulares. Una

    espuma sólida se origina de una espuma líquida en la cual las células son

    cerradas, redondas y poliedrales, están separadas una de otra por una capa

    delgada (Fig. 1b).

    b) Esponja metálica: una morfología de un metal celular en el cual las células están

    interconectadas (Fig. 1c).

    c) Metales porosos: un tipo especial de metales celulares en el que los poros están

    normalmente aislados uno de otros y se caracterizan por tener una superficie lisa

    (Fig. 1d).

    Cabe destacar que algunos autores utilizan el término espuma metálica para referirse a

    los dos tipos de metal celular con celda abierta y celda cerrada, pero también utilizan el

    término de espuma metálica para referirse a todos los metales celulares.

  • 11

    Fig. 1 (a) Metal celular, (b) Espuma metálica, (c) Esponja metálica y (d) Metal poroso

    2.1.1. Estructura Las espumas metálicas pueden ser de celda abierta, si sus poros están conectados, o

    cerrada en caso de tenerlos separados. La Fig. 2 muestra micrografías de cinco espumas

    de Aluminio producidas por algunos de los principales fabricantes de estas, cuatro de

    ellas de celda cerrada y una de celda abierta (3).

    Fig. 2 Micrografías de espumas de Aluminio de celda abierta y cerrada

    a)

    b)

    c)

    d)

  • 12

    2.1.2. Propiedades generales de las espumas metálicas Las propiedades de una espuma sólida dependen en gran medida de la naturaleza de su

    matriz y de su densidad relativa, ofreciendo una combinación única de propiedades del

    metal con el que están formadas y las características derivadas de su peculiar estructura.

    Por tanto, son materiales con una combinación de propiedades fisicoquímicas y

    mecánicas muy especiales, de manera que tienen un conjunto de propiedades que en la

    actualidad no poseen otros materiales, tales como (6, 7):

    Porosidad cerrada o abierta

    Bajo peso específico

    Alta capacidad para absorber energía durante la deformación plástica

    Reduce la conductividad térmica

    Aumenta la conductividad eléctrica

    Amortiguación acústica

    Reciclable

    Maquinabilidad

    Baja densidad relativa

    Amortiguación de vibraciones

    Buena protección electromagnética

    Permeabilidad a diferentes fluidos

    2.2. Espumas de Aluminio Son varios los materiales base que se pueden utilizar para obtener espumas metálicas

    como son Zinc, Aluminio, Estaño, Plomo, Oro, Plata, Níquel, entre otros; sin embargo,

    considerando sus excelentes propiedades de resistencia a la corrosión, bajo peso

    específico, y sobre todo bajo punto de fusión, el Aluminio muestra un mayor atractivo para

    fabricar espumas y en la actualidad es el metal de mayor utilización, tanto en

    investigaciones como en aplicaciones industriales (1).

  • 13

    2.2.1. Obtención de una espuma de Aluminio La fabricación de espumas de Aluminio se lleva a cabo implementando diferentes

    tecnologías (8).

    2.2.1.1. Métodos de producción Los métodos principales para producir espumas metálicas son los siguientes:

    1.- Métodos por fusión: son aquellos en donde la formación de las espumas se presenta

    durante el proceso de fundición del metal.

    2. Métodos por metalurgia de polvos: las espumas son formadas desde el estado sólido

    del metal.

    3.-Métodos por depositación de metal: las espumas son formadas dentro de una fase-

    vapor.

    En cada uno de estos métodos existen variaciones en el tamaño de la celda, morfología

    de celda (abierta o cerrada) y diferencias notorias en el costo de producción (9).

    La Fig. 3 muestra un diagrama que incluye los diversos procesos de fabricación

    desglosando los métodos para la fabricación de espumas metálicas por fusión y por

    metalurgia de polvos debido a que actualmente son los más relevantes en las

    investigaciones científicas.

  • 14

    Fig. 3 Métodos de producción de espumas metálicas por fusión y por metalurgia de

    polvos

    A continuación, se mencionarán los métodos para la fabricación de espumas metálicas,

    así como el nombre comercial o patente del proceso.

    Fabricación de espumas metálicas por fusión

    o Método de inversión usando un polímero como precursor (DUOCEL)

  • 15

    o Método de fusión por adición de partículas (SINTACTIC)

    o Adición de un agente espumante (ALPORAS)

    o Solidificando un metal y un gas para formar un eutéctico (GASAR)

    o Inyección de gas (CYMAT/HYDRO)

    Fabricación de espumas metálicas por medio de metalurgia de polvos

    o Estructuras esféricas huecas

    o Atrapamiento de un gas por expansión (LDC)

    o Métodos de producción de espumas por medio de consolidación de polvos

    metalúrgicos (IFAM/ALULIGHT)

    o Mediante la adición de un agente espumante (FORMGRIP/FOAMEAST)

    Fabricación de espumas metálicas por depositación

    o Depositación de metal en preformas celulares por evaporación (INCO)

    2.2.1.2. El proceso (DUOCEL) En este proceso se obtienen espumas poliméricas de celda abierta con baja densidad

    relativa y un amplio intervalo de tamaño de celda de gran uniformidad (6, 9 ,10).

    El proceso consiste en utilizar una espuma polimérica de porosidad abierta en el seno de

    un crisol. La espuma polimérica resultante se rellena con un mortero compuesto por

    materiales resistentes térmicamente al metal o aleación que se vaciará (mullita, yeso, u

    otros materiales refractarios). Posteriormente, se retira la espuma polimérica mediante

    un tratamiento térmico, se quema o evapora mediante calor y solo queda el material

    refractario con la porosidad adecuada. El metal fundido se vierte en el molde, mediante

    una atmosfera de alta presión, para asegurar la total infiltración.

    Una vez enfriado el metal en el molde, se debe retirar el material refractario disolviéndolo

    mediante agua presurizada u otro medio alternativo lixiviante. La Fig. 4 muestra un

    esquema de este proceso.

  • 16

    Las características de las espumas obtenidas por este proceso son: una porosidad de 80

    a 97%, un tamaño de poro abierto entre 1000 y 5000 ɥm y con una densidad relativa de

    0.05. La Tabla 1 muestra las principales ventajas y desventajas del proceso DUOCEL.

    Tabla 1.- Ventajas y desventajas del proceso DUOCEL

    Ventajas Desventajas

    -Es uno de los procesos por fusión

    donde se puede obtener mayor

    porosidad

    -Pueden fabricarse espumas metálicas

    de metales puros o aleaciones

    -Tamaño de poro pequeño.

    -Costo alto.

    -Se requiere relleno de material refractario

    -Control de la solidificación y remoción del molde

    para no dañar la estructura de la espuma.

    2.2.1.3. El proceso ALPORAS El proceso ALPORAS considera la adición de un agente espumante al seno del metal

    líquido, el agente espumante se descompone a la temperatura del proceso liberando un

    gas que promueve la expansión del metal (6, 9-12).

    Un agente espumante se define como aquel compuesto químico que, por calentamiento

    y en ausencia de Oxígeno, se descompone liberando gas, lo que propicia el proceso de

    MATERIAL

    CERÁMICO

    SE DESPRENDE

    EL POLÍMERO

    METAL FUNDIDO

    PRESIÓN

    INFILTRACIÓN

    LIGAMENTOS

    DE METAL

    REMOVER EL

    MOLDE DEL METAL

    LIGAMENTOS

    DE POLÍMERO

    PREFORMA

    S

    Fig. 4 Proceso de DUOCEL, usando un polímero como precursor

  • 17

    espumación en el seno de un metal fundido que después solidifica al enfriarse. Usando

    un agente espumante es posible dispersar el gas más uniformemente a lo largo del metal

    fundido, dando lugar a un mayor control sobre la localización y tamaño de los poros de

    forma que pueden obtenerse de tamaño más pequeño y con una distribución más

    uniforme. 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. El espumante más utilizado es el TiH2. En primer lugar, el proceso requiere

    aumentar la viscosidad del metal fundido para impedir que las burbujas de gas floten, se

    unan o escapen al exterior. Esto se logra adicionando polvos cerámicos en la superficie

    del metal fundido.

    El método fue desarrollado mezclando aproximadamente 1.5 % de Al2O3, Ca o MgO, en

    una fundición de Aluminio a 680°C, para aumentar su viscosidad. Después de que el

    meta se muestra más viscoso se adiciona 1.6 % de TiH2, el cual libera gas (Hidrógeno) y

    Titanio que entra en solución sólida. El esquema del proceso se observa en la Fig. 5.

    Fig. 5 Método de espumado de líquidos con agentes espumantes

    Las espumas obtenidas por este proceso tienen una porosidad entre 84 a 95%, el tamaño

    de poro promedio es de 2 a 10 mm, la densidad se encuentra en un intervalo de 0.18-

    0.24 g/cm3. Se pueden fabricar piezas de dimensiones 2050 x 650 x 450 mm con un peso

    superior a 160 Kg. La Tabla 2 muestra las ventajas y desventajas del proceso ALPORAS.

    1.5 wt. %Ca 1.6 wt. %TiH2

    680°C

    Engrosamiento

    680°C

    Espumado

    Enfriamiento Bloque de

    Espuma Corte

  • 18

    Tabla 2.- Ventajas y desventajas del proceso ALPORAS

    Ventajas Desventajas

    -Tamaño de poro uniforme

    -Tamaño de poro pequeño

    -Fácil de realizar

    -Costo elevado por aditivos

    -No produce espuma con la geometría específica

    2.2.1.4. El proceso GASAR Este método esquematizado en la Fig. 6, aprovecha que algunos metales líquidos forman

    un sistema eutéctico con gas de hidrógeno. Si uno de estos metales es fundido en una

    atmósfera de Hidrógeno, bajo una elevada presión (arriba de 50 atm.), el resultado es

    una fundición homogénea cargada con Hidrógeno. Si la temperatura disminuye, la

    fundición eventualmente sufrirá una transición eutéctica a un sistema heterogéneo de dos

    fases (sólido-gas) (6, 9, 10, 12).

    Fig. 6 Proceso de producción GASAR

    El método consiste en fundir las aleaciones y saturarlas con Hidrógeno aplicando presión

    y una posterior solidificación direccional. 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, alineadas en la dirección de la solidificación.

    HORNO

    MOLDE

    PRESIÓN

    H2

    CALENTAMIENTO

    SOLIDIFICACIÓN

    DIRECCIONAL

    CRISOL

  • 19

    La morfología del poro resultante es larga y está determinada por el contenido de

    Hidrógeno, la presión bajo la cual se realizó la fusión, la dirección y el gradiente de

    extracción de calor, así como la composición química de la fundición.

    Las características de la espuma obtenida son: un porcentaje de porosidad de 72%, el

    tamaño promedio de poro es uniforme como se observa en la Fig. 7.

    Fig. 7 Estructura de la espuma obtenida por el método GASAR

    El poro posee un diámetro de 10ɥm hasta 10mm con una longitud de 100ɥm a 300mm.

    La Tabla 3 muestra las ventajas y desventajas del proceso GASAR.

    Tabla 3.- Ventajas y desventajas del proceso GASAR

    Ventajas Desventajas

    -Además del Al, la espumación se ha

    logrado en Ni, Cu, Mg, Co, Mo, e

    incluso materiales compuestos de

    matriz cerámica

    -La primera parte del material solidificado tiende a

    ser mejor en la uniformidad de los poros.

    -Produce espumas de menor porosidad en

    comparación con los métodos por fusión.

    -Fabricación lenta

    -Difícil reproducción a escala industrial

    -Proceso complejo y costoso

  • 20

    2.2.1.5. El proceso HYDRO/ALCAN Los metales fundidos pueden espumarse directamente bajo determinadas circunstancias

    mediante la inyección de gas en el seno de un líquido. Los líquidos metálicos puros no

    producen fácilmente espumas mediante burbujeo, el drenado por gravedad del líquido

    suele ocurrir más rápido de lo necesario para obtener la espuma, y las burbujas tienden

    a ascender rápidamente hacia la superficie del metal fundido. El proceso HYDRO/ALCAN

    se muestra en la Fig. 8. (6, 9-12).

    Fig. 8 Proceso continuo para fabricar espumas por inyección de gas

    El proceso consiste en incrementar la viscosidad del metal líquido por la adición de

    partículas cerámicas (Carburo de Silicio, Alúmina o Magnesia), y posteriormente, se lleva

    a cabo la espumación por la inyección de gases (Nitrógeno o Argón) utilizando impulsores

    rotatorios, que producen una mezcla viscosa que flota en la superficie del líquido

    formando una masa uniforme de burbujas de gas en el líquido. La presencia de las

    partículas cerámicas en el líquido hace que la espuma sea relativamente estable. La

    extracción y solidificación de la espuma permite obtener planchas continuas de espuma

    de la longitud deseada y espesores variables.

    Las espumas fabricadas por este proceso presentan un tamaño de poro promedio de 3 a

    25 mm y espesor de la pared celular de 50 a 85 ɥm. Los valores de densidad se

    encuentran en el intervalo de 0.07 y 0.54 g/cm3 y se obtienen planchas de longitud

    ESPUMA DE METAL

    INYECCIÓN DE GAS

    HORNO

    PROPELA

    METAL FUNDIDO

  • 21

    deseada y espesores habituales de 10 cm. La Tabla 4 muestra las ventajas y desventajas

    del proceso HYDRO/ALCAN.

    Tabla 4.- Ventajas y desventajas del proceso HYDRO/ALCAN

    Ventajas Desventajas

    -Técnica de fabricación continua

    -Pueden obtenerse grandes cantidades de

    espuma.

    -Proceso económico y relativamente

    sencillo

    -Los tamaños de poros y la densidad del

    producto se pueden modificar variando los

    parámetros operacionales

    -Dificultades para controlar la dispersión del gas

    -Tamaño de poros, tienden a ser muy grandes

    -Solo produce planchas de espuma con superficie

    irregular

    -Se necesita mezclar las partículas cerámicas

    -Se limita a pocas aleaciones

    2.2.1.6. El proceso (ALULIGHT) Las espumas metálicas también pueden ser obtenidas a partir de polvos metálicos. El

    proceso de producción empieza con la mezcla de polvos metálicos con un agente

    espumante. La técnica también se ha utilizado para producir espumas de acero, y

    estructuras tipo “sándwich” espumadas en un solo paso (6, 9-12).

    El proceso consiste en producir un precursor espumante resultado de mezclar partículas

    metálicas con un agente espumante y un elemento reforzante para aumentar la

    viscosidad del metal fundido tal y como se muestra en la Fig. 9.

  • 22

    Fig. 9 Proceso ALULIGHT por metalurgia de polvos

    Para producir un precursor conveniente se deben comprimir los polvos mezclados en un

    bloque relativamente sólido, para que cuando tenga lugar el espumado, el gas no escape

    del material. Esto, puede lograrse por compactación de una mezcla de polvos, seguida

    por una extrusión en frío. La fricción entre las partículas durante la extrusión destruye las

    capas de Óxido y las une.

    Alternativamente, la mezcla de polvo se puede compactar en caliente a una temperatura

    por debajo de la temperatura de descomposición del agente espumante. En algunos

    casos, es posible compactar el polvo a la temperatura de descomposición del agente

    espumante, el cual es atrapado en el metal y la descomposición es inhibida por la elevada

    presión de compactación.

    En un paso siguiente, el precursor se funde dentro de un molde y se calienta a la

    temperatura de descomposición del agente espumante. La estructura celular de la

    espuma producida con estos precursores es estrechamente dependiente de la

    temperatura, la presión, el tiempo de tratamiento y la aleación usada.

    POLVOS

    METÁLICOS

    POLVO DE

    AGENTE

    ESPUMANTE

    MEZCLADO

    EXTRUSIÓN

    PRENSADO

    AXIALMENTE

    MATERIALES

    PRECURSORES

    ESPUMADO

    Q

  • 23

    El siguiente paso es un tratamiento térmico a una temperatura cercana a la del punto de

    fusión del material base. El agente espumante, que esta homogéneamente distribuido

    por toda la matriz metálica, se descompone y libera gases forzando al material precursor

    a expandirse, formando su estructura porosa. El tiempo necesario para una expansión

    completa depende de la temperatura y tamaño del precursor y puede tardar unos cuantos

    segundos o hasta varios minutos.

    La Fig. 10 muestra la espuma obtenida por este proceso la cual posee un porcentaje de

    porosidad de 63 a 89%, el tipo de poro obtenido es cerrado y su tamaño promedio es de

    1 a 5 mm, los diámetros se encuentran en el intervalo de 1000 y 5000 ɥm y la densidad

    relativa es baja de 0.08 g/cm3. La Tabla 5 indica las ventajas y desventajas del proceso

    ALULIGHT.

    Fig. 10 Espuma de Aluminio obtenida por el proceso ALULIGHT

    Tabla 5.- Ventajas y desventajas de proceso ALULIGHT

    Ventajas Desventajas

    -La técnica se ha usado para producir espumas de Al y sus

    aleaciones, Bronce y Cobre con 0.5 y 1% de TiH2 o Na2CO3 como

    agentes espumantes, Sn, Zn, Pb, Au entre otros.

    -Alto costo debido a

    los polvos metálicos.

  • 24

    2.2.1.7. El proceso FORMGRIP (Dos etapas) Este método es también conocido como espumado de un metal reforzado por la liberación

    de un gas precursor (10-12).

    El proceso consiste en utilizar un metal fundido, al cual se le adiciona un material

    espumable o precursor, comúnmente el Hidruro de Titanio. Este precursor, primero se

    calienta para producir una capa de Óxido de Titanio en la superficie, que limita la

    permeabilidad del H2 cuando se descompone. El Hidruro Oxidado es entonces, mezclado

    en el Aluminio fundido (agregando las partículas de Carburo de Silicio para aumentar la

    viscosidad); la capa de Óxido en las partículas del Hidruro actúa como una barrera para

    retardar la descomposición del Hidruro de Titanio dentro del metal líquido durante un

    tiempo suficiente para permitir la dispersión del mismo dentro de la fundición. Esto,

    produce un precursor ligeramente poroso hecho de metal, agente espumante, y Carburo

    de Silicio que puede ser cortado y almacenado. En un segundo paso, el precursor se

    coloca en un molde (de cualquier forma) y se calienta a una temperatura ligeramente

    superior a la temperatura de fusión de la aleación de Aluminio, típicamente, a 680°C. El

    Hidruro de Titanio se descompone, emite Hidrógeno y forma una espuma que expande

    el precursor hasta llenar el molde. La Fig. 11 muestra el esquema del proceso.

    Fig. 11 Proceso del método FORMGRIP

    TiH2 (TiO2) y mezcla de polvo de aleación Al-12%Si

    Al-9Si/SiCp

    Fusión

    compuesta Fundición

    Precursor

    Compuesto Dispersión de

    hidruro

    Horneado

    Expansión

    para

    llenado

    Colada

    Solidificación

    Producto

    Espuma 3-D

  • 25

    Las espumas obtenidas por este proceso presentan porosidades del 50 al 95% con un

    tamaño promedio de poro de 1 a 10 mm. Las ventajas y desventajas de este proceso se

    muestran en la Tabla 6.

    Tabla 6.- Ventajas y desventajas del proceso FORMGRIP

    Ventajas Desventajas

    -Estructura homogénea y

    controlada

    -Fabricación de piezas con

    geometría variada

    -Restricciones en materiales usados

    -Costo alto

    -Produce espumas quebradizas debido a la presencia de

    partículas de SiC en las paredes de los poros

    2.2.2. Propiedades de las espumas de Aluminio Las propiedades de las espumas de Aluminio están directamente ligadas a la

    composición química, proporción y morfología entre las zonas sólidas y gaseosas que

    componen su estructura. La principal ventaja de la utilización de las espumas de Aluminio

    es el disponer de propiedades diferentes frente a las aleaciones metálicas originales que

    las hacen atractivas para la fabricación de nuevos productos y el desarrollo de nuevas

    aplicaciones. La mejora continua de las espumas de Aluminio para satisfacer nuevos

    requerimientos y aplicaciones está basada en la obtención de propiedades cada vez más

    específicas (11).

    2.2.2.1. Densidad La densidad de las espumas de Aluminio se encuentra en el rango de 0.05 -1.2 g/cm3, es

    decir, los poros ocupan del 50% al 97% del volumen total. La densidad se determina por

    métodos volumétricos (peso y geometría) o mediante análisis de imagen de la estructura

    del poro interno; en este caso los poros en la superficie mecanizada se llenan con resina

    negra para establecer el contraste entre los poros y las paredes del poro. Los resultados

    obtenidos por este medio son bastante cercanos a la densidad obtenida por el método

    volumétrico. Adicionalmente, el análisis de imagen también da información sobre la

    distribución de densidades en la muestra. En la Fig. 12 se muestra la distribución de la

    densidad de la espuma a lo largo del eje “x” e “y” respecto a las paredes del molde (11).

  • 26

    Fig. 12 Distribución de la densidad

    2.2.2.2. Tamaño de poro Los poros en las espumas metálicas son esencialmente esféricos y parcialmente

    cerrados. Estos poros no tienen un diámetro fijo, sin embargo, las muestras pueden ser

    preparadas con varios valores medios de diámetro, entre 0.5 y 8mm dependiendo de la

    composición de la matriz y los parámetros espumantes: temperatura y tiempo, tal y como

    se observa en la Fig. 13 (13).

    Fig. 13 Diferentes estructuras porosas medidas a diferentes parámetros espumantes

    (temperatura y tiempo)

    Densidad (g.cm-3)

    X (mm)

    Y

    (m

    m)

  • 27

    2.2.2.3. Propiedades elásticas Los módulos de Young y de cizallamiento se calculan como la relación de las tensiones

    frente a las deformaciones resultantes. La importancia de la técnica es que los módulos

    de Young y de cizallamiento sean grandes, con relación a la densidad, dando lugar al

    desarrollo de distintas técnicas para incrementar el valor de estas propiedades. Un

    módulo de elasticidad relativamente alto con densidad baja, permite obtener una rigidez

    específica muy alta lo que permite minimizar el peso de una estructura (11).

    2.2.2.4. Módulo de Young El módulo de elasticidad en las espumas de Aluminio depende de la densidad; a bajas

    densidades el módulo de elasticidad es muy alto y esto provoca una rigidez específica en

    las espumas. La dependencia obedece a una función exponencial con un exponente de

    valor n = 1.6, aproximadamente. La función exponencial es dependiente del tamaño y

    distribución de los poros, así como la presencia de aditivos en la aleación de Aluminio y,

    por tanto, de la tecnología utilizada para la fabricación del material.

    La Tabla 7 muestra una comparación de la relación del módulo elástico con la densidad

    (E/ ρ2) de las espumas de Aluminio con respecto a otros materiales (13).

    Tabla 7.- Relación E/ρ2 para diferentes estructuras de materiales en comparación con la

    espuma de Aluminio.

    Material

    Densidad ρ (g.cm-3)

    Modulo E (GPa)

    E/ ρ2 (10-5 GPa.kg2.m6)

    Espuma-Al 0.5 5 2.00

    Epoxy 1.3 5 0.30

    Acero 7.8 210 0.35

    Aluminio 2.7 69 0.95

    Vidrio 2.5 70 1.12

    Concreto 2.5 50 0.80

  • 28

    2.2.2.5. Conductividad térmica y eléctrica Experimentalmente se ha comprobado que las espumas de Aluminio siguen la ley de

    Wieder-Franz. El comportamiento de las propiedades de transporte depende de modo

    significativo de la densidad, esto está de acuerdo con la dependencia obtenida para el

    módulo de elasticidad como la conductividad eléctrica y térmica pertenecen a la misma

    clase, siguiendo este último una ley exponencial con exponente comprendido entre 1.48

    y 1.60. En la Fig. 14 se observa una comparación de propiedades físicas de las espumas

    de Aluminio (13).

    Fig. 14 Propiedades mecánicas de dos espumas de Aluminio con diferente densidad (a) Modulo de la elasticidad, (b) Conductividad térmica y (c) Conductividad eléctrica.

    2.2.2.6. Amortiguación acústica Las espumas de Aluminio poseen la capacidad de absorber o rechazar parte de la

    energía sonora que reciben, sobre todo, las espumas de poros interconectados son muy

    eficaces en la absorción del sonido. El sonido entrante se refleja dentro de la espuma

    entre los poros; la superficie del poro vibra convirtiendo el sonido en calor. Un nivel de

    sonido muy reducido se refleja dentro del espacio encerrado. El coeficiente de absorción

    es una función del espesor del material, la densidad y el tamaño del poro. La máxima

    absorción de sonido para las frecuencias incidentes puede ajustarse por el tamaño del

    poro de la espuma. La mayor absorción de energía sonora se produce para espumas con

  • 29

    densidades cercanas a 0.65 g/cm3. La Fig. 15 muestra una comparación de coeficientes

    de absorción de sonido de espumas de Aluminio de poro abierto y diferente diámetro de

    poro (a) con diferentes materiales (11).

    Fig. 15 Coeficiente de absorción de sonido de diferentes espumas de Aluminio de densidad 0.5 g/cm3 con estructura de poro abierto con diferente diámetro de poro (a) en

    mm, comparado con Aluminio sólido, espuma de PU y matriz de fibra de vidrio.

    2.2.2.7. Propiedades químicas Las espumas de Aluminio se fabrican tanto de Aluminio puro como de sus aleaciones, lo

    cual hace que se comporten de diferente forma frente a la corrosión, por ejemplo, al alear

    el Aluminio con cobre se producen precipitaciones de fase cerca del límite de grano,

    produciendo una capa empobrecida en cobre respecto al resto del material, sin embargo,

    en los procesos de fabricación de espumas se adiciona Sílice que no solo ayuda a

    aumentar la viscosidad, sino también su resistencia a la corrosión. (11)

    2.2.2.8. Comportamiento bajo esfuerzo La curva de esfuerzo-deformación de las espumas de Aluminio se clasifica en tres

    regiones distintas como se muestra en la Fig. 16. Primeramente, para bajas

    deformaciones, el material se deforma casi elásticamente (las paredes de las celdas se

    doblan), posteriormente, y para una compresión constante, existe un aumento progresivo

  • 30

    de la deformación en la que las paredes de las celdas se curvan (ceden o se rompen). A

    continuación, existe una zona en la que el esfuerzo aumenta rápidamente tras producirse

    el colapso de las celdas.

    Fig. 16 Curva de esfuerzo-deformación

    Cuando la deformación plástica comienza, la carga a la que se produce dicha

    deformación, puede ser definida como la carga de colapso plástico. Esta carga aumenta

    al igual que la densificación del material. La forma en que colapsan las espumas

    metálicas de Aluminio depende de la composición de la aleación y del tratamiento térmico

    al que se vieron sometidas durante su fabricación, de manera que las espumas basadas

    en aleaciones de Aluminio tienden a romper las paredes de sus celdas. El área por debajo

    de la curva de esfuerzo-deformación presenta información sobre la energía que se

    necesita para producir la deformación plástica. La energía empleada en la deformación

    plástica hasta o durante la aplicación de un esfuerzo, es un parámetro importante si nos

    interesa conocer la energía de absorción de impacto del material. También esta energía

    depende fuertemente de la densidad, ya que para poder absorber las energías de impacto

    se requieren densidades intermedias (13).

    densidad

    0.81 g/cm3

    densidad

    0.57 g/cm3

    W1

    densidad

    0.44 g/cm3

    Carg

    a (

    kN

    )

    Fmax

    W2

    W3

    Deformación (mm)

    masa Al

  • 31

    2.2.2.9. Escudo electromagnético La buena conductividad eléctrica de las espumas metálicas permite minimizar la

    penetración de las ondas electromagnéticas, actuando como un mecanismo de

    protección ante campos electromagnéticos presentes. Además, la baja permeabilidad

    magnética hace que convierta la energía electromagnética en calor (13).

    2.2.3. Aplicaciones de espumas de Aluminio Las principales aplicaciones de espumas de Aluminio están en la industria automotriz,

    aeroespacial, naval, ferroviaria y de construcción. Su estructura le confiere características

    especiales: físicas, mecánicas, térmicas y eléctricas; especialmente sus propiedades de

    aislamiento térmico y acústico, su bajo peso y su capacidad para absorber energía de

    impacto. Esto hace posible la utilización de estos materiales en un sinfín de diferentes

    aplicaciones con formas geométricas complejas. Sin embargo, todavía falta más

    investigación para optimizar nuevos productos (11).

    2.2.3.1. Puntos clave para el diseño de espumas de Aluminio Actualmente la elaboración y utilización de metales porosos ha cobrado auge dentro de

    la industria y ha adquirido un gran número de aplicaciones y aunque este tipo de material

    muchas veces se considera como alternativa a un problema de diseño, se deben de tomar

    en cuenta estos puntos clave:

    Morfología: Se debe determinar el tipo de porosidad requerida para la aplicación. Esto

    es, elegir una red cerrada o abierta y tomar en cuenta el tamaño de los poros.

    Metalurgia: Se debe elegir el tipo de metal para la aplicación y en base a ello se debe

    determinar si es posible o viable la realización de la espuma de ese material.

    Procesado: Se debe tener en cuenta la posibilidad de poder moldear el metal poroso para

    las necesidades a cubrir, y si este moldeo no afecta las propiedades del material de

    manera sustancial.

    Economía: Analizar los costos que requiere la elaboración del material y compararlos con

    otras alternativas como metales normales (14).

  • 32

    2.2.3.2. Estructuras tipo Sándwich Las estructuras sándwich son construcciones laminares constituidas por dos

    revestimientos unidos a un cuerpo central (núcleo) relativamente ligero, dando como

    resultando un panel de elevada rigidez y poco peso. La principal función de los

    revestimientos es la de soportar y transmitir, uniformemente, las cargas superficiales

    recibidas. Estos revestimientos pueden estar formados por láminas de materiales

    metálicos como el Aluminio y sus aleaciones, materiales compuestos, madera, etc. En

    aplicaciones de carácter estructural el propósito del núcleo es resistir la transmisión de

    esfuerzos de corte de una tapa a otra, así como, resistir la compresión.

    La estructura tipo sándwich con núcleo de espuma de Aluminio puede obtenerse a partir

    de bloques, planchas, hojas, etc.; mediante operaciones de mecanizado, hasta llegar a

    la forma deseada; o, fabricándola “in situ”, obteniendo mediante colada (por presión

    diferencial o gravedad) la pieza o conjunto.

    Adicionalmente a las construcciones de elevada rigidez, las estructuras sándwich tienen

    importante aplicación en estructuras resistentes al impacto, utilizadas en vehículos para

    mejorar la seguridad pasiva, así como en estructuras ultraligeras, atenuación de ruidos

    en carreteras, puentes, edificios y máquinas, sistemas de protección contra incendios,

    etc. (11).

    2.2.3.3. Industria automotriz Las necesidades dentro de la industria automotriz consideran cuestiones de seguridad,

    reducción del consumo de combustible, elementos absorbedores de impactos, reducción

    de emisiones acústicas y componentes de alta emisión del calor. Estas necesidades han

    propiciado que las empresas se vean en la necesidad de desarrollar nuevas técnicas y

    materiales para mejorar la calidad de los automóviles. Es por ello que, se han efectuado

    investigaciones acerca de partes automotrices. Se ha notado que las espumas de

    Aluminio son un material idóneo para muchas aplicaciones. El uso de estas espumas de

    en la estructura de los automóviles (Fig. 17) es un fenómeno bastante reciente.

    Las espumas de Aluminio presentan buenas propiedades frente a un amplio intervalo de

    esfuerzos, se deforman proporcionalmente a la carga aplicada y la absorción de energía

    es prácticamente isotrópica.

  • 33

    Frente a los impactos las espumas de Aluminio tienen un mejor comportamiento que las

    espumas poliméricas, debido a su mayor deformabilidad, presentando un bajo índice de

    rebote en situaciones de choque dinámico, evaluado en menos de un 3%, frente al 15 %

    de las espumas de poliuretano.

    Al sustituir componentes fabricados tradicionalmente en Acero por espumas de Aluminio

    no solo se reduce el peso en un 25%, sino que, además, se aumenta la rigidez en un

    700%. Debido a ello, puede reducirse significativamente el número de componentes

    necesarios en el vehículo, disminuyendo los costos de fabricación.

    Fig. 17 Chasis de espuma metálica

    La mejora del confort por la reducción del ruido en el interior del automóvil, es otro campo

    donde las espumas de Aluminio pueden actuar tanto como barreras acústicas como

    reduciendo el nivel de ruido transmitido al exterior del vehículo. El problema de las

    vibraciones de resonancia indeseables de un motor, vehículo, etc., que son causa de

    averías y la emisión de ruidos, puede reducirse. Al ser el módulo de Young de la espuma

    menor que el correspondiente al metal sin espumar, la resonancia de una espuma se

    desplazará, generalmente, a menores frecuencias (11, 14).

  • 34

    2.2.3.4. Industria aeroespacial En aplicaciones aeroespaciales, la sustitución de las costosas estructuras de alma

    alveolar por sándwiches de espuma de aluminio puede llevar a un mejor rendimiento con

    un menor costo. Por un lado, se busca aumentar la resistencia al alabeo y al pandeo y

    por otro aprovechar las importantes ventajas que suponen la isotropía de las propiedades

    mecánicas de las espumas y la posibilidad de fabricar estructuras compuestas sin

    necesidad de pegado por adhesivos. Esto último hace que mejore el comportamiento en

    caso de incendios, donde es necesario que la estructura mantenga su integridad tanto

    tiempo como sea posible.

    Una ventaja importante de estos materiales es que permiten fabricar piezas

    tridimensionales y con curvatura, en contraste con las estructuras planas de alma

    alveolar. Otras aplicaciones incluyen piezas estructurales en turbinas, donde tanto la

    rigidez como un correcto amortiguamiento son muy importantes. Los cierres entre las

    distintas partes del motor también se han diseñado de espuma de Aluminio.

    En tecnología espacial se ha desarrollado el uso de espumas de Aluminio como

    absorbedores de impactos para los elementos de aterrizaje de los vehículos espaciales

    y como refuerzo para las estructuras de carga en satélites, sustituyendo materiales que

    presentaban problemas en ambientes adversos (cambios de temperatura, vacío, etc.).

    La Fig. 18 muestra la estructura tipo sándwich de un cono espacial y las direcciones de

    carga ensayadas (11).

    Fig. 18 Cono espacial

  • 35

    2.2.3.5. Industria ferroviaria La aplicación de las espumas de Aluminio en los equipos ferroviarios sigue las mismas

    normas que en la industria automotriz en lo que se refiere a los tres campos de aplicación

    principales: rigidez específica, absorción de energía frente a impactos y amortiguación

    de sonido. La absorción de energía es un tema muy importante en los ferrocarriles que

    transitan por áreas urbanas, en las que pueden producirse colisiones (11).

    2.2.3.6. Industria naval La construcción con materiales ligeros ha ganado importancia en la industria naval. Los

    modernos barcos de pasajeros pueden ser construidos completamente con Aluminio

    extruido, hojas de Aluminio y estructuras de Aluminio de alma alveolar. Los sándwiches

    de espuma de Aluminio obtenidos por pegado con adhesivos de poliuretano son

    estructuras ligeras y rígidas con un excelente amortiguamiento, incluso en el caso de

    bajas frecuencias típicas de los barcos (11).

    2.2.3.7. Industria de la construcción Existe un amplio abanico de aplicaciones en la construcción. Los modernos edificios de

    oficinas comienzan a decorar sus fachadas con paneles ligeros, rígidos y resistentes al

    fuego, sujetos a las paredes del edificio mediante soportes de espuma de Aluminio.

    La Fig. 19 muestra un ejemplo de la utilización de espumas metálicas para formar

    estructuras de edificios que soporten los mismos esfuerzos que los metales normales,

    pero con las ventajas ya mencionadas y otras adicionales de ser posible. De igual forma

    las barandillas de los balcones que suelen ser de materiales demasiado pesados y

    problemáticos en caso de incendio comienzan a sustituirse por espumas de Aluminio. Las

    puertas y salidas de incendios están hechas de espumas de Aluminio de baja densidad,

    por tener reducida conductividad térmica y buena resistencia al fuego.

    Aunque el punto de fusión del Aluminio es bastante bajo, las espumas de Aluminio

    permanecen estables al exponerse a la llama, debido a la estabilidad de la alúmina

  • 36

    formada superficialmente, en estas condiciones. Además, una falla en la estructura sería

    menos dañina ya que, de alguna forma, la estructura del material anticiparía cuando

    alguna parte esté por fallar y no fallaría en su totalidad. (11, 14).

    Fig. 19 Paneles de construcción de espumas de Aluminio

    2.2.3.8. Maquinaria Las piezas de maquinaria fabricadas de espuma o rellenas de espuma hacen que

    disminuya la inercia y aumente el amortiguamiento. Estos nuevos componentes pueden

    utilizarse en taladradoras, fresadoras, etc.

    Las espumas de Aluminio pueden usarse en beneficio de los aparatos eléctricos, ya que

    añaden la ventaja de la protección electromagnética (11).

    2.2.3.9. Equipo deportivo Equipamiento deportivo es un campo remunerador en cuanto a la aplicación de nuevos

    materiales se refiere, debido a los precios altos que son aceptados en este sector. Sin

    embargo, no hay muchas ideas de aplicación para los metales celulares en este campo.

    Un ejemplo de aplicación son espinilleras para jugadores de futbol soccer, donde la

    capacidad de absorción de energía de las espumas de aluminio puede ser explotada.

    Otras aplicaciones potenciales para utilizar como relleno en equipo deportivo son:

    raquetas de tenis, bates de béisbol, cuadros de bicicletas, etcétera (3, 10).

    INSTALANDO

    ESPUMA

    ALUMINIO

    RESISTENTE

  • 37

    2.2.3.10. Aplicaciones funcionales (9, 11) Filtración y separación.

    Intercambiadores de calor y máquinas de frío.

    Catalizadores.

    Almacenamiento temporal de líquidos.

    Control de flujo.

    Absorbedores del sonido.

    Absorbedores de la energía de impacto.

    Arte y decoración.

    Paneles.

    Flotadores o boyas.

    Insertos Biocompatibles

    Aplicaciones electroquímicas

    2.3. Estado del arte M. González y colaboradores (5) fabricaron espumas de aleación de Aluminio de celda

    cerrada A-356 utilizando 0.8, 1.0 y 1.2% en peso de Barita y Wollastonita obtenidas a

    partir del procesamiento de minerales primarios como agentes espesantes y carbonato

    de Calcio como agente espumante. Analizaron las propiedades mecánicas de las

    espumas y compararon con espumas producidas con 0.8, 1.0 y 1.2% en peso de alúmina

    y carbonato de Calcio como agente espesante y espumante, respectivamente.

    Las espumas producidas con adiciones de Wollastonita mostraron los valores

    porcentuales de porosidad más alta (86.9%) y tamaños de celda (0.438 mm), pero la

    menor capacidad de absorción de energía de (1.58 MJm-3). Por otra parte, las espumas

    producidas con adiciones de Barita presentaron una buena combinación de estructura y

    propiedades mecánicas tales como tamaño de celda de (0.312 mm), porcentaje de

    porosidad (85%) y capacidad de absorción de energía (3.81 MJm-3).

  • 38

    Las espumas obtenidas con adiciones de Alúmina mostraron valores intermedios de

    porosidades y tamaños de celdas entre las espumas obtenidas con Barita y Wollastonita

    y la presencia de oscilaciones en la región de la meseta. La espuma obtenida con 1% en

    peso de Barita mostró la más alta eficiencia de absorción de energía ideal y la etapa más

    larga sostenida con la menor fluctuación de la eficiencia.

    La eficiencia de absorción de energía de las espumas producidas disminuyó cuando la

    porosidad y el tamaño de la celda aumentaron. Concluyeron que la espuma producida

    con adición de Barita muestra el mejor comportamiento de la eficiencia de absorción de

    energía.

    V. Kevorkijan (4) estudió la viabilidad al utilizar un polvo de CaCO3 como agente

    espumante, como una alternativa rentable al TiH2 utilizado comercialmente. Se fabricaron

    muestras de espuma de Aluminio de celda cerrada a partir de precursores sólidos

    espumables sintetizados por metalurgia de polvos y por fusión. Los precursores

    obtenidos por la vía de fusión se mecanizaron y adicionalmente se hizo un prensado

    isostático en frío para mejorar su densidad.

    En todos los casos se determinó que el resultado de los precursores consistía en una

    matriz de Aluminio que contenía varias fracciones (3, 5, 7 y 12%) de polvos de CaCO3

    uniformemente dispersos con diversos tamaños de partícula (d50= 38, 72 y 120 ɥm). Los

    precursores se espumaron insertándolos en un molde cilíndrico inoxidable. Se colocaron

    en un horno precalentado a 750° C durante 10 min.

    La calidad de los precursores espumables se evaluó determinando su valor inicial,

    densidad y el rendimiento de espumación (la densidad relativa de la espuma obtenida,

    (ρ), fue calculada dividiendo la densidad aparente de la espuma, (ρF), por la densidad de

    Aluminio, (ρAl). Además, la calidad de las espumas obtenidas se caracterizó por su

    densidad, microestructura (el tamaño promedio de poro) y propiedades mecánicas (curva

    de esfuerzo-deformación a la temperatura ambiente, resistencia a la compresión y

    energía absorbida).

    Los hallazgos experimentales confirmaron que las espumas de Aluminio sintetizadas con

    el polvo de CaCO3 como agente espumante pueden prepararse tanto por metalurgia de

  • 39

    polvos como por fundición. Las espumas fabricadas mostraron que la densidad, la

    microestructura, la resistencia a la compresión y la capacidad de absorción de energía

    son bastante comparables con las contrapartes espumadas por TiH2.

    M. Haesche y asociados (15) estudiaron la sustitución de TiH2 como agente espumante

    por CaCO3 (calcita) y CaMg(CO3)2 (dolomita) en espumas de AlMg4.5 y AlSi9Cu3 su

    estudio fue tomando en cuenta sobre la capacidad de formación de espuma y la

    estructura celular. Produjeron los materiales precursores a partir de virutas de aleación y

    mezclas de polvo mediante el procedimiento de thixocasting. Encontraron variaciones en

    la expansión de la aleación AlSi9Cu3 cuando se utilizó CaCO3 y CaMg(CO3)2 como agente

    espumante donde fue comparado basándose en el curso de su descomposición.

    Concluyeron que el rendimiento mejorado de las espumas basadas en dolomita se basa

    en la formación de fases estabilizantes de MgO, que no se desarrollan durante la

    descomposición de CaCO3 en aleaciones de Al-Si-Cu.

  • 40

    3. DESARROLLO EXPERIMENTAL

    En base a la literatura consultada se sabe que existen diversos procesos para la

    fabricación de espumas de Aluminio, no obstante, aunque la mayoría de esos procesos

    permiten obtener espumas de Aluminio con propiedades óptimas, resulta compleja la

    fabricación por las etapas requeridas, el control de los parámetros y además del costo

    elevado de los procesos y materias primas utilizadas; por lo que, el objetivo de este

    trabajo es el de fabricar espumas de Aluminio con propiedades microestructurales

    similares a las obtenidas en otros procesos pero utilizando materiales alternativos de bajo

    costo a los utilizados industrialmente.

    Se utilizó el proceso ALPORAS para la fabricación de espumas metálicas de la aleación

    A-356, en donde se adiciono Carbonato de Calcio (CaCO3) como agente espumante, el

    cual se disocia a la temperatura de espumación (700 °C) liberando gas (CO2), el cual

    queda atrapado en la masa metálica formando una estructura porosa conocida como

    espuma. Previamente el metal se acondiciona utilizando dos agentes espesantes (Barita

    y Wollastonita) alternativos a los usados actualmente (Al2O3, MgO, Ca), para que la

    viscosidad en la superficie del metal se incremente y el gas (CO2) quede atrapado en la

    masa metálica, obteniendo poros de celda cerrada y uniforme. Dichos agentes

    propuestos se adicionaron en tres porcentajes distintos (0.5, 1 y 1.5%) con la finalidad de

    observar el efecto producido en las propiedades estructurales (tamaño de poro, densidad,

    densidad relativa y % de porosidad) en las espumas fabricadas.

    3.1. Materiales y Equipo

    3.1.1. Materiales Metal base: Se fabricó la aleación de Aluminio A-356 utilizando Aluminio, Silicio,

    Magnesio y Cobre.

    Agente espesante: Para aumentar la viscosidad del metal se utilizó un agente espesante.

    En el primer caso Barita (BaSO4), con un punto de fusión de 1580° C y una densidad de

    4.47 g/cm3. La barita es químicamente inerte, de fácil dispersión, baja abrasión, excelente

    resistencia al calor y a la corrosión, además de una baja absorción en aceite. En el

    segundo caso se utilizó Wollastonita (CaSiO3), con un punto de fusión de 1540° C y una

  • 41

    densidad de 2.8 g/cm3. La Wollastonita es principalmente usada en la fabricación de

    productos cerámicos, plásticos, pinturas y en la industria metalúrgica se utiliza en mezclas

    de fundentes, con el objetivo de prevenir la oxidación en la superficie del Acero, lubricar

    las paredes del molde y absorber inclusiones dañinas. En la Fig. 20 se observa ambos

    espesantes.

    Fig. 20 Agentes espesantes: a) Barita, b) Wollastonita

    Agente espumante: Como agente espumante se utilizó el CaCO3 que se muestra en la

    Fig. 21, con un punto de fusión de 899° C y una densidad de 2.711 g/cm3.

    Fig. 21 Carbonato de Calcio CaCO3

    b) a)

  • 42

    Pasta de grafito: Se utilizó pasta de grafito en la parte interna y externa de un molde

    bipartido de acero inoxidable para facilitar la extracción de la espuma del molde y para

    evitar fugas de metal en las zonas de unión. También se utilizó en los tornillos que cierran

    el molde para evitar que se suelden debido a la alta temperatura. En la Fig. 22 se observa

    la aplicación de la pasta de grafito sobre el molde bipartido.

    Fig. 22 Pasta de grafito aplicada al molde bipartido

    3.1.2. Equipo Horno de gas: Se utilizó para fabricar la aleación de Aluminio A-356, que posteriormente

    se lingoteó, para obtener pequeños lingotes de aproximadamente 350 g cada uno.

    Hornos de resistencia: Se utilizaron 2 hornos eléctricos de resistencia con capacidades

    para crisoles de hasta 2 L de Aluminio líquido, los cuales se muestran en la Fig. 23. Estos

    hornos alcanzan 1100 y 1300° C. El primer horno (Fig. 23a) se utilizó para fundir los

    lingotes de la aleación fabricada y posteriormente vaciarla en el molde bipartido que es

    colocado en el segundo horno (Fig. 23b) donde se fabricaron las espumas.

  • 43

    Fig. 23 Hornos de resistencias; a) Horno usado para fundir los lingotes de la aleación A-356, b) Horno usado para la espumación.

    Agitador: El agitador “BOECO GERMANY” modelo OSD-20, fue utilizado durante las

    etapas de agitación de los agentes espesante y espumante. Cuenta con un rango de

    velocidad de 60 a 2000 rpm. Este agitador se muestra en la Fig. 24.

    Fig. 24 Equipo de agitación.

    a

    )

    b

    )

  • 44

    Termómetro: Para medir la temperatura se utilizó un termómetro de entrada doble tipo K

    básico, marca “EXTECH” modelo EA10 mostrado en la Fig. 25, el cual ofrece un rango

    de temperatura desde -200 a 1360 °C.

    Fig. 25 Termómetro EXTECH

    Molde bipartido: Debido al proceso que conlleva la fabricación de una espuma se utiliza

    un molde bipartido de acero inoxidable que facilita la extracción de la misma, ya que

    puede abrirse por la mitad y cerrarse nuevamente, también cuenta con una tapa que se

    coloca en la base del molde y todo se une por sujeción mecánica. Este molde posee siete

    tornillos de los cuales cuatro se colocan en los bordes inferior y superior de la parte

    externa del molde, los tonillos restantes se utilizan para unir la tapa al molde. La Fig. 26

    muestra el molde bipartido con su tapa y los tornillos.

    Fig. 26 Molde bipartido

  • 45

    Microscopio óptico: Para la caracterización de las espumas se realizaron mediciones de

    poros de cada una. Se utilizó el microscopio óptico invertido para análisis OLYMPUS

    modelo GX51 mostrado en la Fig. 27, que cuenta con cámara digital, polarizador de

    campo oscuro y campo claro y resolución espacial de 0.1 mm.

    Fig. 27 Microscopio óptico

  • 46

    3.2. Proceso En la Fig. 28 se muestra el diagrama de flujo para el proceso de fabricación de espumas

    de Aluminio de la aleación A-356.

    Fig. 28 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de espumas de la aleación A-356 utilizando agente espesante y espumante.

  • 47

    3.2.1. Aleación base La aleación A-356 se utilizó como materia prima. Para fabricarla se utilizaron metales

    puros Al, Cu, Mg y Si, los cuales se cargaron en un crisol de Carburo de Silicio y se fundió

    en el horno de gas obteniendo lingotes.

    Para la aleación A-356 los intervalos de la composición química establecidos se muestran

    en la Tabla 8.

    Tabla 8.- Composición química de la Aleación A-356

    Elementos %Si %Mg %Cu %Al

    Composición química 6.5-7.5 0.2-0.45 0.1-0.25 Balance

    3.2.2. Espumación Se utilizaron 500 g de aleación A-356 por cada carga; que se fundieron en el Horno de

    Resistencias 1, lo cual lleva 15 minutos aproximadamente con intervalo de temperatura

    de 700±10° C.

    Los parámetros establecidos para la realización de las espumas de la aleación A-356 se

    muestran en la Tabla 9.

    Tabla 9.- Parámetros de realización de espumas de la aleación A-356

    Parámetros

    Constantes Variables

    Masa del metal 500 g Agente espesante

    (BaSO4)

    0.5, 1 y 1.5%

    Temperatura de

    espumación

    700° C Agente espesante

    (CaSiO3)

    0.5, 1 y 1.5%

    Agitación 1600 ± 5 rpm

    Tiempo 10-13 minutos

    Agente espumante

    (CaCO3)

    1%

    El molde bipartido es el dispositivo en el cual se llevó a cabo el proceso de espumado

    debido a que al desatornillarse se abre por la mitad facilitando la extracción de la espuma.

  • 48

    Antes de la espumación, al molde bipartido se le proporciona una capa de pasta de grafito

    para evitar fugas de metal. El molde es precalentado en el Horno de Resistencias 2 (Fig.

    23b) en un tiempo de entre 15 a 20 minutos aproximadamente, para que alcance una

    temperatura cerca de 600° C.

    La aleación se funde en el Horno de Resistencias 1 (Fig. 23a) alcanzado una temperatura

    de 680±10° C. Al alcanzar estas temperaturas, se procede al vaciado de la aleación en

    el molde bipartido e inmediatamente se ingresa el molde bipartido al Horno de

    Resistencias 2 para mantener la temperatura como se observa en la Fig. 29.

    Fig. 29 Vaciado de metal fundido a molde bipartido

    Se realizó una serie de espumas con el agente espesante Wollastonita y otra con Barita

    en distintos porcentajes, mientras que el agente espumante (CaCO3) se mantuvo

    constante.

    Una vez que se alcanza un intervalo de temperatura de 700±10° C, se procede a

    adicionar el porcentaje de agente espesante y enseguida comienza la agitación con una

    propela de acero inoxidable a 1600 rpm durante 2 minutos como se muestra en la Fig.

    30.

  • 49

    Fig. 30 Agitación del metal Una vez terminada la agitación se retira la propela y se da 1 minuto de reposo para que

    se estabilice la reacción. Este espesante incrementa la viscosidad del metal haciendo

    difícil el escape de los gases en su interior; posteriormente se adiciona el porcentaje de

    agente espumante y comienza la agitación con la propela a 1600 rpm durante 1 minuto

    30 segundos como se observa en la Fig. 30. Para finalizar la reacción se da un tiempo

    de 2 minutos aproximadamente, hasta que la espuma alcanza su altura máxima como se

    observa en la Fig. 31, durante este tiempo se termina de descomponer el agente

    espumante, los gases quedan atrapados formando burbujas de CO2 que gracias a la

    viscosidad se mantienen estables y no se liberan en la superficie, esto genera la

    formación de los poros en el metal.

    Fig. 31 Reposo de espumación

  • 50

    Al terminar la espumación se extrae cuidadosamente el molde del horno, el cual se enfría

    inmediatamente, utilizando agua a presión durante 3 ó 4 minutos aplicándola de manera

    homogénea como se muestra en la Fig. 32. Una vez terminado el enfriamiento se procede

    a la extracción de la espuma del molde.

    Fig. 32 Enfriamiento con agua a presión

    La Fig. 33 muestra un esquema que resume el desarrollo experimental seguido en la

    fabricación de las espumas de Aluminio, en donde básicamente se llevan a cabo las

    siguientes operaciones: a) Fusión y vaciado a molde bipartido de la Aleación A-356, b)

    Adición de agente espesante para incremento de viscosidad, c) Adición de agente

    espumante, iniciando el proceso de espumado y d) Enfriamiento con agua a presión

    posterior al tiempo de reposo de espumado

    Fig. 33 Representación del proceso para la realización de una espuma empleando un agente espumante

  • 51

    3.2.3. Caracterización de espumas Una vez fabricadas las espumas de aleación de Aluminio se cortaron de forma

    transversal, a continuación, se maquino una de las partes obteniendo así 4 probetas por

    cada espuma de acuerdo con la norma DIN 50134 que especifica medidas de 19 mm de

    diámetro y 38 mm de altura lo cual proporciona una relación de 0.5 entre ambas medidas.

    Posteriormente se determinaron los valores de densidades (𝜌𝑒𝑠𝑝𝑢𝑚𝑎 y 𝜌𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎) con ayuda

    de la ecuación (1) y (2) respectivamente:

    𝜌𝑒𝑠𝑝𝑢𝑚𝑎 =𝑚

    𝑉………….(1)

    donde:

    m=masa de la probeta (g)

    V=volumen de la probeta (𝑐𝑚3)

    𝜌𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =𝜌𝑒𝑠𝑝𝑢𝑚𝑎

    𝜌𝐴𝑙𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐴−356…………(2)

    Donde:

    𝜌𝐴𝑙𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐴−356=2.56 𝑔/𝑐𝑚3

    El porcentaje de porosidad (Pr (%)) se determina con la ecuación (3)

    Pr(%) = (1 − (𝜌𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎))𝑥100…………(3)

    Finalmente, el tamaño de poro fue obtenido mediante fotomicrografías realizadas a las

    probetas en un microscopio óptico (MO) Fig.27; estas fotomicrografías se manejaron con

    una relación micrométrica de 750 ɥm para las espumas de Barita y 600 ɥm para las

    espumas de Wollastonita.

    Se tomaron de 10 a 12 fotomicrografías por cada espuma y mediante estas imágenes se

    realizaron mediciones a los poros con diámetros más regulares; para la obtención del

    diámetro de poro se tomaron medidas verticales, horizontales y diagonales, estas

    medidas se promediaron obteniendo así el tamaño de poro en micrómetros por cada

    espuma.

  • 52

    3.2.4. Caracterización de los agentes espesantes y agente espumante

    Para conocer los componentes principales de los minerales de Barita y Wollastonita, se

    analizaron en un equipo de difracción de rayos X Focus D8 con radiación monocromática

    Cu Kα, trabajando en configuración θ/2θ. Los datos obtenidos se encontraron en un

    intervalo angular de 20 a 70º con un tamaño de paso de 0.02º y un tiempo de conteo de

    2º min-1.

    El tamaño, la morfología y el análisis químico cualitativo de la Barita y Wollastonita se

    determinaron en un Microscopio Electrónico de Barrido Jeol 6300 y con análisis EDS.

    Una película Au-Pd fue depositada sobre la superficie de los polvos para hacerlos

    conductivos. Las imágenes se obtuvieron a 20 y 500 X con electrones retrodispersados

    con 15 kV y 10 A.

    Para determinar la temperatura de disociación del Carbonato de Calcio utilizado como

    agente espumante, se estudió su comportamiento térmico mediante una prueba de

    calorimetría en un calorímetro Mettler Toledo TGA/DSC1. Con un intervalo de

    calentamiento de 10º C min-1 en una atmósfera de argón, con una velocidad de flujo de

    50 ml min-1 en crisoles de Alúmina. Los datos se obtuvieron en un intervalo de

    temperatura de 150 a 1600º C.

  • 53

    4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

    4.1. Resultados de la composición química de la aleación A-356

    Para confirmar que la composición química de la aleación fabricada se encuentra dentro

    de las especificaciones de la aleación A-356 se hizo un análisis mediante un

    espectrómetro de Emisión Atómica (Chispa) Modelo Foundry Master. La composición

    química obtenida se encuentra en la Tabla 10.

    Tabla 10.- Composición química de la Aleación A-356 fabricada.

    Elementos %Si %Mg %Cu %Al

    Composición química 7.12 0.38 0.2 Balance

    Estos valores se encuentran dentro de los intervalos de la aleación A-356 reportados en

    la Tabla 8.

    4.2. Resultados de la caracterización de los agentes espesantes y agente espumante propuestos

    En este trabajo se evaluaron dos agentes espesantes alternativos a los utilizados

    comercialmente. Estos agentes se obtuvieron a partir de minerales de Barita y

    Wollastonita ya procesados.

    Los minerales Barita y Wollastonita se caracterizaron por DRX y los resultados se

    observan en la Fig. 34. El análisis muestra que el principal componente de la Barita

    (BaSO4) es el componente Celestine-Barian (JCPD file 00-039-1464), el cual es un

    mineral que pertenece al grupo de la Barita. En este caso la Barita (BaSO4) y la Celestina

    (SrSO4) forman una solución solida con la siguiente composición Ba0.25Sr0.75SO4,

    adicionalmente se observa la presencia minoritaria de Calcita (Fig. 34a).

    El difractograma de la Fig. 34b muestra que la muestra de Wollastonita (CaSiO3) contiene

    principalmente el componente CaSiO3 (JCPD file 00-043-1460), y pequeñas cantidades

    de compuestos como Al2O3, MgO y K2O.

  • 54

    Fig. 34 Patrones DRX de los agentes espesantes usados, a) Barita y b) Wollastonita

    La morfología y el mapeo elemental de los elementos presentes en la Barita y

    Wollastonita se observan en las Figs. 35 y 36, respectivamente. La Barita muestra una

    morfología subhedral y anhedral. El mapeo elemental muestra la presencia de partículas

    constituidas por Ba, Sr y S y también partículas compuestas por Ca. De acuerdo con los

    resultados DRX estas partículas pueden corresponder a compuestos como Celestine

    (Ba,Sr)SO4 y Calcita (CaCO3).

  • 55

    Fig. 35 Imagen MEB de la morfología (a) de la Barita y micro