“DESARROLLO DE UN PROCESO PARA OBTENER ESPUMAS DE

Transcripción

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS, S.C.
POSGRADO
“DESARROLLO DE UN PROCESO PARA
OBTENER ESPUMAS DE ALEACIÓN A356,
MEDIANTE LA RUTA DE FUNDICIÓN,
EMPLEANDO COMO AGENTE ESPUMANTE
TiH2 TRATADO TÉRMICAMENTE”
TESIS
QUE COMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIA DE MATERIALES
PRESENTA:
MANUEL IVÁN ROMERO ROMERO
DIRECTOR DE TESIS:
DR. CARLOS DOMÍNGUEZ RÍOS
CHIHUAHUA, CHIH.
AGOSTO, 2012
RESUMEN
Las espumas de aluminio, al ser materiales ultraligeros con propiedades únicas, están
siendo objeto de investigaciones a nivel mundial para encontrar mejoras en los procesos de
fabricación que permitan obtener espumas a un menor costo y de más alta calidad, la cual
se basa en que presenten una estructura celular homogénea. Disminuir la diferencia, entre
la temperatura de descomposición del agente espumante y el punto de fusión de la aleación
de aluminio, es clave para obtener espumas con estructura de poros más homogénea. Se
aplicó tratamiento térmico a polvos de agente espumante para generar una capa de óxido
superficial, la cual incrementa la temperatura de descomposición del agente espumante,
disminuyendo de esta forma la diferencia entre la temperatura de descomposición del
agente espumante y el punto de fusión de la aleación de aluminio. La capa de óxido retarda
la liberación del gas generado por la descomposición del agente espumante, dando el
tiempo necesario para mezclar y distribuir el agente espumante en el metal fundido y poder
obtener espumas con estructura celular más homogénea.
Espumas de aleación A356 se fabricaron mediante un proceso desarrollado a nivel
laboratorio, basándose en la ruta de fundición, usando como agentes espumantes polvos de
TiH2 tratado térmicamente a 400, 450, 500 y 550 °C. El agente espumante se caracterizó
mediante análisis termogravimétrico, calorimetría diferencial de barrido y con difracción de
rayos X. La estructura de poros de las espumas fue analizada con el programa Image-Pro y
la microestructura usando microscopía electrónica de barrido. Se realizaron ensayos de
compresión y de conductividad térmica para evaluar la resistencia a la compresión,
capacidad de absorción de energía y la conductividad térmica de las espumas.
Se obtuvieron espumas con densidades entre 0.24 y 0.58 g cm-3. Las espumas producidas
usando TiH2 con tratamiento térmico de 500 °C presentaron la estructura celular más
homogénea. Por otro lado, la conductividad térmica de la aleación A356 se redujó hasta en
un 98 % en forma de espuma. Los ensayos de compresión mostraron que conforme la
densidad relativa de las espumas se incrementa, la resistencia a la compresión se
incrementa de manera potencial, y que cuando la densidad relativa de las espumas es de
0.201, su capacidad de absorción de energía es máxima. Además, las propiedades
analizadas de las espumas del presente trabajo se compararon con las propiedades de
algunas espumas comerciales.
i
“A mis Padres; a mi mamá Antonia y a mi abuelo Patrocinio,
por ser mi Motor”
ii
AGRADECIMIENTOS
En cuanto se asoman, de manera un tanto tímida y nostálgica, los primeros pensamientos
para plasmar las palabras de esta página, es inevitable darse cuenta que una aventura
única, llena de trabajo y dedicación, esta llegando a destino final. Esta tesis, no solo fue una
consecuencia del trabajo de una sola persona, sino de muchas personas a las cuales
expreso mi más sincero agradecimiento.
Quiero agradecer a CIMAV por haberme dado la oportunidad de estudiar una maestría.
Agradezco también a CONACYT por la beca otorgada.
Mi total agradecimiento para el director de esta tesis, el Dr. Carlos Domínguez, por la
asesoría brindada, y sobretodo, por el apoyo incondicional que siempre recibí de su parte.
Quiero expresar un agradecimiento especial a Roal Torres, quien fue parte primordial de
todo este trabajo, y que hasta el momento, no he encontrado las palabras exactas para
agradecer toda esa ayuda invaluable.
También, expreso mi sincero agradecimiento a los técnicos de CIMAV, ya que debido a la
información, que fue producto de su trabajo, logré darle vida a los capítulos de esta tesis: a
Daniel Lardizabal (análisis térmicos), Enrique Torres (difracción de rayos X), Arturo
Hernández (pruebas mecánicas), Karla Campos y Wilber Antunez (microscopía electrónica
de barrido), Silvia Miranda y Alma Rubio (análisis químico), a todos ellos gracias por su
asesoría, sugerencias y recomendaciones. Además, quiero agradecer a Manuel Román por
haberme facilitado, cuantas veces lo necesite, equipo para realizar la experimentación.
Agradezco al Dr. Roberto Martínez, Dr. Miguel Angel Neri y al Dr. Abel Hurtado, por sus
observaciones y sugerencias, las cuales enriquecieron esta tesis.
Con el temor de que falte de mencionar a alguien, prefiero decir: gracias infinitas a todas y
cada una de las personas del ‘taller’, por facilitarme el uso de máquinas y herramientas, por
la asesoría, y por haber fabricado todas las piezas solicitadas.
Finalmente, le quiero dar las gracias a mis compañeros de laboratorio y también amigos;
gracias Claudia, Juan Carlos, Tony y Fer, por todas las ideas y la ayuda que me brindaron.
También quiero agradecer a todas esas personas no mencionadas, que de alguna manera
me apoyaron durante esta aventura.
iii
ÍNDICE
I INTRODUCCIÓN… 1
1.1 HIPÓTESIS… 3
1.2 OBJETIVO PRINCIPAL… 3
1.3 OBJETIVOS PARTICULARES… 3
II REVISIÓN DE LITERATURA… 4
2.1 MATERIALES CELULARES… 4
2.2 ESPUMAS DE ALUMINIO… 5
2.2.1 Espuma de Aluminio de Poro Cerrado… 6
2.2.2 Espuma de Aluminio de Poro Abierto… 6
2.3 RESEÑAS HISTÓRICAS DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO… 6
2.4 RUTAS DE OBTENCIÓN DE ESPUMAS METÁLICAS… 8
2.4.1 Obtención de Espumas por Inyección de Gas en el Metal Fundido… 8
2.4.1.1 El Proceso Hydro/Alcan… 8
2.4.1.2 El Proceso ALPORAS… 10
2.4.1.3 Precursor Espumable Producido por Técnicas de Metalurgia de
Polvos… 12
2.4.1.4 El Proceso FOAMCARP… 14
2.4.2 Usando Como Molde una Estructura Celular… 15
2.4.2.1 Preforma Soluble en Agua… 15
2.4.2.2 Infiltración en Dos Etapas… 16
2.4.2.3 Deposición Sobre Una Preforma… 17
2.4.2.3.1 Electrodeposición… 17
2.4.2.3.2 Deposición en Fase Gaseosa… 19
2.4.3 Métodos Basados en la Unión de Materiales… 20
2.4.3.1 Sinterización de Polvos de Metal y Gránulos sin
Consolidación… 20
2.4.3.2 Sinterización de Esferas Huecas de Metal… 22
2.4.3.3 Producción a Partir de Polvo, Disolviendo una Parte
Soluble… 22
2.4.4 Métodos que Aprovechan Sistemas de Aleación Específicos… 23
2.4.4.1 Sistemas de Aleación Con Una Fase Volátil… 23
2.4.4.2 Solidificación Direccional en Metales Fundidos Saturados de
Gas… 24
2.5 RUTAS DE OBTENCIÓN DE ESPUMAS ALUMINIO UTILIZANDO AGENTE
ESPUMANTE TRATADO TÉRMICAMENTE: ESTADO DE LA TECNOLOGÍA…29
2.5.1 El Proceso FORMGRIP… 29
2.5.1.1 Primera Etapa… 29
2.5.1.2 Segunda Etapa… 30
2.5.2 Técnica de Metalurgia de Polvos… 31
2.5.3 El Hidruro de Titanio como Agente Espumante… 35
2.6 PROPIEDADES DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO… 35
2.6.1 Propiedades Físicas… 36
2.6.1.1 Densidad… 36
iv
ÍNDICE
2.6.1.1.1 Densidad Relativa… 36
2.6.1.2 Propiedades Elásticas… 36
2.6.1.3 Propiedades Térmicas y Eléctricas… 37
2.6.1.4 Permeabilidad… 37
2.6.1.5 Propiedades Acústicas… 38
2.6.2 Propiedades Mecánicas… 38
2.6.2.1 Comportamiento a la Compresión… 38
2.6.2.2 Capacidad de Absorción de Energía… 39
2.7 APLICACIONES DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO… 41
2.7.1 Industria Automotriz… 42
2.7.2 Industria Aeroespacial… 43
2.7.3 Industria Ferroviaria… 45
2.7.4 Construcción Naval… 45
2.7.5 Construcción… 45
2.7.6 Maquinaria… 47
2.7.7 Equipamiento Deportivo… 47
2.7.8 Aplicaciones Funcionales… 48
III METODOLOGÍA EXPERIMENTAL… 49
3.1 MATERIALES… 49
3.2 TRATAMIENTO TÉRMICO DEL AGENTE ESPUMANTE… 49
3.3 PROCESO PARA OBTENER ESPUMA… 50
3.4 CARACTERIZACIÓN DEL AGENTE ESPUMANTE… 52
3.4.1 Difracción de Rayos X… 52
3.4.2 Análisis Térmicos… 53
3.5 CARACTERIZACIÓN DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO… 53
3.5.1 Ensayo de Compresión… 53
3.5.2 Ensayo de Conductividad Térmica… 53
3.5.3 Microscopía Electrónica de Barrido… 54
3.5.4 Análisis de Imagen… 54
IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN… 55
4.1 AGENTE ESPUMANTE… 55
4.1.1 Análisis de Fases… 56
4.1.2 Análisis Térmicos… 57
4.2 ESTRUCTURA CELULAR DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO… 61
4.3 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO… 68
4.4 COMPORTAMIENTO A LA COMPRESIÓN DE LAS ESPUMAS DE
ALUMINIO… 73
4.4.1 Resistencia a la Compresión… 78
4.4.2 Capacidad de Absorción de Energía… 83
4.4.3 Efecto del Área Transversal Sólida en la Resistencia a la Compresión y
Absorción de Energía… 87
4.5 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO… 90
4.6 EL PROCESO… 92
V CONCLUSIONES… 93
5.1 AGENTE ESPUMANTE… 93
5.2 ESTRUCTURA CELULAR… 93
5.3 DENSIDAD… 93
5.4 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA… 94
v
ÍNDICE
5.5 COMPORTAMIENTO A LA COMPRESIÓN… 94
5.6 MICROESTRUCTURA… 94
5.7 EL PROCESO… 95
5.8 TRABAJO FUTURO Y RECOMENDACIONES… 95
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS… 97
vi
INTRODUCCIÓN
Las espumas metálicas debido a la interesante combinación de propiedades, tales como
rigidez y muy baja densidad, son parte de la gran familia de los nuevos materiales que han
despertado gran interés a nivel mundial. Su porosidad abierta o cerrada permite que sean
empleadas en aplicaciones de tipo estructural o funcional, como lo son estructuras con
excelente relación rigidez-peso, eficiencia en la absorción de energía, control térmico y
acústico, y otras aplicaciones más especializadas [1]. El desarrollo de estos materiales se ha
dado en mayor medida en países como EUA, Canadá, Reino Unido, Alemania y Japón.
Entre las rutas reportadas para la obtención de espumas metálicas, los métodos de
pulvimetalurgia y fundición, son los más utilizados [2].
Las espumas metálicas son materiales ultraligeros donde el gas se encuentra disperso en la
matriz metálica. El término espuma está, generalmente, referido a la dispersión de burbujas
de gas en un líquido. Si la estructura celular de una espuma, puede mantenerse después de
la solidificación del líquido, obtenemos una espuma sólida. El proceso de formación de
espumas metálicas requiere la espumación del material desde el estado líquido o
temperaturas muy próximas, para que se puedan alcanzar condiciones de fluidez que
permitan la espumación [3].
Las espumas de aluminio de poro cerrado se producen introduciendo burbujas de gas en el
metal mediante la inyección directa de gas en el metal fundido o empleando un agente
espumante. Espumas de este tipo, se pueden obtener con el proceso Hydro/Alcan, el cual
consiste en inyectar directamente gas en el metal fundido [2]. En el proceso ALPORAS,
cuando el agente espumante (TiH2) se mezcla dentro del metal fundido (Aluminio), espumas
de poro cerrado son producidas, debido a la descomposición del TiH2 [4]. Las técnicas de
metalurgia de polvos (procesos FOAMINAL y Alulight) también se usan para producir
espumas de poro cerrado, donde una mezcla compactada de polvos metálicos (aleación de
aluminio) y agente espumante (TiH2) se hornea para provocar la espumación del
metal [2,3,5].
Los procesos anteriores, a pesar de ser registrados, producen espumas con estructuras de
poros no homogéneas que tienen una amplia distribución de tamaño de poro. De manera
puntual, el proceso Hydro/Alcan presenta dificultades para controlar la dispersión del gas
1
I INTRODUCCIÓN
inyectado. El resto de los procesos, ALPORAS y las técnicas de metalurgia de polvos
(FOAMINAL y Alulight), presentan un problema con la diferencia que existe entre la
temperatura de descomposición del agente espumante y el punto de fusión de la aleación de
aluminio utilizada. En el caso del proceso ALPORAS, cuando el agente espumante (TiH2) se
mezcla en el metal fundido, se presenta una liberación prematura del gas (hidrógeno), lo
cual no da el tiempo suficiente para mezclar de manera uniforme el TiH2 con el aluminio
fundido. Las técnicas de metalurgia de polvos son muy ineficientes, ya que el 25 % del gas
disponible en el TiH2 produce la expansión; esto se debe a que cuando se hornea la mezcla
compactada de polvos metálicos y agente espumante, el gas se libera cuando la aleación de
aluminio aún permanece sólida, teniendo como resultado la formación de grietas en la
mezcla compactada, provocando que el gas escape [3,4,6,7].
Disminuir la diferencia entre la temperatura de descomposición del agente espumante y la
temperatura en la cual el metal se funde, es fundamental para producir espumas de mejor
calidad (estructura celular más homogénea). A.R. Kennedy y V.H. Lopez [7,8] reportaron
que aplicar un tratamiento térmico a los polvos de TiH2, retarda su temperatura de
descomposición, debido a la capa de óxido superficial que se genera durante el tratamiento.
El proceso FORMGRIP y, varios trabajos de investigación que utilizan la técnica de
metalurgia de polvos, han empleado TiH2 tratado térmicamente para producir espumas con
resultados satisfactorios. En el proceso FORMGRIP, aplicar un tratamiento térmico al TiH2,
crea una capa protectora de óxido en la superficie, la cual retarda la descomposición del
TiH2, eliminando la liberación prematura del gas durante la dispersión del TiH2 en el metal
fundido [9]. En la técnica de metalurgia de polvos, al hornear la mezcla compactada,
compuesta de TiH2 tratado térmicamente y polvos metálicos, la liberación del gas se retarda,
logrando que disminuya la diferencia entre la temperatura de descomposición del agente
espumante y el punto de fusión del metal [8,10,11]. Sin embargo, tanto el proceso
FORMGRIP como las técnicas de metalurgia de polvos, son complejos y costosos. Si bien,
en la técnica de metalurgia de polvos se logra disminuir la diferencia entre la temperatura de
descomposición del agente espumante (TiH2 tratado térmicamente) y el punto de fusión del
metal, no se ha evitado completamente la liberación prematura del gas, ya que el TiH2, aún
con tratamiento térmico, se descompone antes de que los polvos metálicos comiencen a
fundirse.
2
I INTRODUCCIÓN
1.1 HIPÓTESIS
Se puede obtener una estructura de poros uniforme en las espumas de aleación A356,
producidas mediante la ruta de fundición, cuando se emplea como agente espumante TiH2
tratado térmicamente.
1.2 OBJETIVO PRINCIPAL
Obtener espumas de aleación A356 con estructura de poros uniforme, siguiendo la ruta de
fundición, mediante la aplicación de tratamiento térmico al TiH2.
1.3 OBJETIVOS PARTICULARES

Desarrollar a nivel laboratorio un proceso más económico y menos complejo para
producir espumas de aluminio con estructura de poros uniforme.

Determinar el grado de reducción de conductividad térmica de las espumas de
aleación A356 comparada con la aleación en su forma sólida.

Evaluar la resistencia a la compresión y la capacidad de absorción de energía de las
espumas de aleación A356, en función de su densidad, cuando son sujetas a
ensayos de compresión.
3
II REVISIÓN DE LITERATURA
2.1 MATERIALES CELULARES
En los últimos años, los investigadores han reconocido la existencia, en la naturaleza, de
materiales y estructuras de alta eficiencia: materiales livianos y resistentes como los huesos,
la caña de bambú o la madera, que nos presentan unos materiales porosos capaces de
formar estructuras de alta rigidez con bajo peso específico [3].
Debido a sus poros, los metales celulares poseen un conjunto de propiedades únicas
comparado con los materiales estructurales sólidos: son aplastables, exhiben un esfuerzo de
meseta (plateau stress) (el esfuerzo de meseta se presenta cuando los esfuerzos se
mantienen relativamente constantes conforme aumenta la deformación) si son sometidos a
compresión, y presentan un cambio en la relación de Poisson en deformación. La excelente
combinación de propiedades mecánicas (principalmente resistencia y rigidez) y bajo peso es
la principal ventaja. En adición, los metales celulares absorben altas energías al impacto sin
importar la dirección del impacto, y son muy eficientes en absorción de sonido, blindaje
electromecánico y amortiguación de vibraciones [12].
Metales celulares pueden ser clasificados como materiales estocásticos o periódicos. Los
materiales periódicos están caracterizados por una celda unitaria que es repetida en dos
direcciones (estructuras prismáticas o de panal), o en tres direcciones (materiales de
enrejado o reticulados), por otro lado, los materiales estocásticos tienen una variación
estadística de la forma y el tamaño de la celda y no pueden ser caracterizados simplemente
por una celda unitaria. Los metales celulares estocásticos son cuerpos metálicos en los
cuales existen espacios gaseosos dispersos [6].
Son tres los tipos de metales celulares: esponjas metálicas, metales porosos y espumas
metálicas. Las esponjas metálicas tienen la morfología de un metal celular en el cual los
espacios o huecos están interconectados. Metales porosos son un tipo especial de metal
celular, en los cuales los poros son habitualmente redondos y se encuentran aislados unos
de otros. Por otra parte, las espumas metálicas son metales celulares que se originan
desde el metal líquido y, por consiguiente, tienen una morfología limitada [6]. Los poros en
las espumas de aluminio son, esencialmente, esféricos y parcialmente cerrados,
4
generalmente,
interconectados,
aunque
también
puede
lograrse
una
porosidad
completamente cerrada [3].
Las aplicaciones de los metales celulares dependen del tipo, cantidad y tamaño de poros,
área superficial interna total, posibilidades para la elaboración de espuma, y costos. Las
aplicaciones estructurales están orientadas a espumas de poro cerrado mientras las
aplicaciones funcionales requieren de materiales con porosidad abierta. Las aplicaciones
estructurales potenciales se encuentran en la industria aeroespacial, construcción naval,
industria ferroviaria, industria de la construcción, maquinaria para la construcción,
equipamiento deportivo y aplicaciones biomédicas. Las aplicaciones funcionales para
espumas metálicas con cierto grado de porosidad abierta son: filtración y separación,
intercambiadores de calor y aparatos de refrigeración, soportes para catalizadores,
almacenar y transferir líquidos, control de flujo de líquidos, silenciadores, electrodos de
baterías, supresores de flama, en aplicaciones electroquímicas, purificación de agua, control
acústico, decoración y arte [6].
2.2 ESPUMAS DE ALUMINIO
La espuma de aluminio es un material metálico relativamente isotrópico muy poroso con una
distribución aleatoria de los poros dentro de la estructura [3]. Esta morfología maximiza el
área superficial, en la cual el gas ocupa del 50 al 90 % del volumen total, obteniéndose muy
baja densidad (de 0.3 a 0.8 g cm-3). En particular, las espumas de aluminio, debido a su baja
densidad, resistencia a la corrosión y un punto de fusión relativamente bajo que las hace
fácilmente manejables, poseen interesantes combinaciones de propiedades mecánicas y
físicas que les otorgan, entre otras características, alta tenacidad y gran absorción de
energía de impacto, haciéndolas atractivas para aplicaciones en las industrias automotriz,
aeroespacial y naval. También, son utilizables en carpintería metálica y construcciones
civiles en general, ya que estos materiales poseen buena capacidad para aislamiento
acústico, alta rigidez específica, absorción de vibración y elevada disipación de calor [13], y
además, las espumas de aluminio son reciclables y no contaminantes [3].
Las espumas se dividen en dos tipos de estructuras: de poros cerrados, que comúnmente
se usa en aplicaciones estructurales, y de poros abiertos, que es utilizada por sus
propiedades específicas (térmicas, superficiales, etc.) [3].
5
2.2.1 Espuma de Aluminio de Poro Cerrado
Las espumas de aluminio de poros cerrados se caracterizan por tener una gran rigidez y
gran aislamiento acústico (Fig. 2.1a). Pueden obtenerse por inyección directa de gases al
metal fundido o mediante el uso de un agente espumante o un precursor espumable con el
material en el intervalo sólido-líquido [3].
2.2.2 Espuma de Aluminio de Poro Abierto
Las espumas de aluminio de poros abiertos tienen especiales propiedades térmicas que
habilitan aplicaciones para la disipación de calor, recuperación de elementos, filtros y
catalizadores (Fig. 2.1b). A diferencia de las espumas de poro cerrado, la fabricación de
espumas de poro abierto está principalmente basada en la utilización de materiales de
relleno que luego son eliminados. Este tipo de estructuras se pueden fabricar partiendo del
estado líquido, pulvimetalurgia, deposición química, etcétera [3].
Figura 2.1. a) Espuma de aluminio de poro cerrado, b) espuma de aluminio de poro abierto fabricada
en molde de yeso por infiltración de aluminio fundido en una espuma polimérica [3].
2.3 RESEÑAS HISTÓRICAS DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
El primer proceso para generar espuma metálica fue llevado a cabo por B. Sosnick en
1948 [14], el cual consistía en lograr la vaporización de mercurio en aluminio fundido para
6
crear un sólido lleno de poros cerrados. Los usos sugeridos para este nuevo producto
aprovechaban las mejoras de la resistencia al impacto de la espuma, así como las
propiedades de absorción de calor y sonido. El proceso era bastante costoso y sólo produjo
cantidades pequeñas de una espuma bastante irregular; quizás, por eso, no tuvo un
desarrollo posterior [3].
En 1956, J.C. Elliot empleo hidruros como agentes espumantes, los cuales se agregaban al
metal fundido para liberar el gas mediante descomposición térmica [15]. En 1958 se
obtuvieron las primeras espumas metálicas con poro abierto. Estas espumas se obtuvieron
vertiendo sobre aluminio fundido partículas de sal, que una vez disueltas, daban lugar a una
estructura de espuma con poros abiertos más fiable que el método de Sosnick, pero se
apreció más como curiosidad científica que como material tecnológico [3].
B. C. Allen et al. desarrollaron en 1963 una patente para fabricar espumas, usando, además
de hidruros, carbonato de calcio como agente espumante [16]. El método consistía en
compactar una mezcla de, polvos de aluminio y polvos del agente espumante, que
posteriormente era extruida y enfriada. Cuando el sólido se calentaba a una temperatura de
por lo menos el punto de fusión del aluminio, el agente espumante se descomponía,
liberando gas en el metal fundido.
En 1967 P. W. Hardy y G. W. Peisker, patentaron un método en el cual se incorporaba el
agente espumante cuando el metal se encontraba semifundido [17]. La estructura de las
espumas se mejoró respecto a las desarrolladas en años anteriores, debido a que se agregó
silicio en el aluminio para aumentar viscosidad y encapsular el gas. Además, llevó a una
reducción en los costos de producción comparándolo con la compactación de polvos.
Una segunda oleada de actividades científicas comenzó en los ochenta, llevando al
restablecimiento de viejas técnicas y presentando un nivel mucho más alto de
publicaciones [6]. Las espumas metálicas obtenidas a partir de metal fundido han centrado
el principal interés comercial. Varios centros de investigación y empresas han trabajado en
métodos alternativos para producir espumas y han desarrollado con éxito varios procesos
basados en la infiltración, deposición, y otros sistemas, con una gama amplia de costos y
calidad de espumas [3].
7
2.4 RUTAS DE OBTENCIÓN DE ESPUMAS METÁLICAS
La fabricación de espumas metálicas se ha conseguido implementando diferentes
tecnologías. Los diferentes métodos para la producción de metales celulares pueden ser
clasificados según J. Banhart [2] de acuerdo al estado de agregación del metal al momento
de ser procesado, definiendo cuatro familias de procesos que involucran a metales en
estado sólido, líquido, gaseoso e iónico.
Probablemente la mejor clasificación de las diferentes rutas y tecnologías de producción, es
la que definieron J.A. Gutiérrez-Vázquez y J. Oñoro [3], basándose en las características y
la esencia de cada método, teniendo los siguientes cuatro grupos (clasificación utilizada en
la presente tesis para describir las rutas de obtención de espumas):

Inyección de gas en metal fundido.

Unión de materiales.

Molde de estructura celular.

Sistemas de aleación específicos.
2.4.1 Obtención de Espumas por Inyección de Gas en el Metal Fundido
Los metales líquidos, en determinadas condiciones, pueden dar lugar a espumas por la
introducción de burbujas de gas que quedan atrapadas en el interior del líquido. Las
burbujas de gas formadas en un metal líquido tienden muy rápidamente a alcanzar la
superficie debido a su menor densidad. Un aumento de la viscosidad del metal fundido y una
adecuada modificación de las condiciones de presión y temperatura pueden dificultar la
migración del gas y estabilizar temporalmente su permanencia dentro de un metal fundido
hasta conseguir su solidificación [3].
2.4.1.1 El Proceso Hydro/Alcan
Este proceso que ha sido explotado por Hydro Aluminium en Noruega y Cymat Aluminium
en Canadá (este último usando métodos y patentes desarrolladas originalmente por Alcan
International), se representa esquemáticamente en la Fig. 2.2 [2].
8
Figura 2.2. Espumado directo de metal fundido por inyección de gas (Espumas MMC*) [2].
La viscosidad del metal líquido se aumenta mediante la adición de partículas cerámicas
como carburo de silicio, alúmina o magnesia. Posteriormente, el metal fundido es espumado
inyectando gases (aire, nitrógeno o argón) mediante el uso de impulsores rotatorios o
soplantes vibratorios, produciendo una mezcla viscosa que flota en la superficie y esta
constituida de una masa uniforme de burbujas de gas en el metal líquido. La espuma de la
superficie se extrae y traslada por medio de una banda transportadora y finalmente
enfriada [2] para obtener espuma sólida de celdas cerradas diagonalmente distorsionadas
[6]. Dos muestras de espuma se muestran en la Fig. 2.3.
La presencia de partículas cerámicas en el metal líquido permite tener una espuma
relativamente estable durante el proceso. Debido a las características de procesamiento de
la espuma, se pueden obtener planchas continuas de la longitud deseada y espesores
variables, normalmente de 10 cm. La fracción de partículas cerámicas esta en un intervalo
del 10 % al 20 %, con tamaño de partícula de 5 hasta 20 µm. Las porosidades de las
espumas de aluminio que se obtienen se encuentran del 80 al 98 %, lo que corresponde a
valores de densidad entre 0.069 y 0.54 g cm-3; tamaño promedio de poros de 3 hasta
25 mm, y espesores de pared de 50 hasta 85 µm. Los tamaños de poro y la densidad de las
espumas pueden ser modificadas mediante el ajuste del flujo de gas, velocidad de giro o la
frecuencia de vibración, y otros parámetros [2].
* Material compuesto de matriz metálica (MMC, por sus siglas en inglés).
9
Figura 2.3. Planchas de espuma de dos diferentes densidades y tamaños de celda producidas
mediante el método de inyección de gas (muestra: Hydro Aluminium, Noruega) [2].
2.4.1.2 El Proceso ALPORAS
Shinko Wire ha estado fabricando aluminio espumado bajo la marca registrada que lleva por
nombre ALPORAS desde 1986, usando un proceso de fundición por lotes (batch casting
process) (Fig. 2.4) [4].
Figura 2.4. Proceso de fabricación ALPORAS [4].
La espuma de aluminio es elaborada desde el aluminio líquido logrando burbujas estables
durante la fundición. Para estabilizar las burbujas es necesario incrementar la viscosidad y
10
prevenir que las mismas floten. Se utiliza 1.5 % en peso de calcio como agente apara
aumentar la viscosidad. El calcio se mezcla con el aluminio líquido a una temperatura de
680 °C y agitado durante seis minutos en atmósfera libre [4].
La viscosidad se determina mediante la medición de la resistencia al corte o la resistencia a
la agitación de un fluido, la cual es un par de torsión. Cuando la aleación de aluminio ha
alcanzado el valor de viscosidad adecuado, es vertido en un molde para fundición y agitado
con 1.6 % en peso de TiH2 (agente espumante) a 680 °C [4]. El TiH2 libera gas (hidrógeno),
y titanio que entra en solución sólida [3]. Después de la agitación, el material fundido se cura
alrededor de 15 minutos una vez que se expande y llena todo el molde. Inmediatamente
después, el material espumado se enfria dentro del molde usando un potente ventilador. Un
bloque de espuma de ALPORAS tiene como dimensiones 450 × 2050 × 650 mm, y un peso
de 160 kg. En la etapa final, el bloque de espuma de aluminio es removido del molde y es
cortado en rebanadas de varios espesores dependiendo del uso final [4]. La espuma
ALPORAS tiene una estructura de poro cerrado, y se muestra la morfología de los poros en
la Fig. 2.5 [2].
Figura 2.5. Estructura de poro de aluminio espumado mediante la adición de TiH2. La sección
2
mostrada tiene un tamaño de 80 × 80 mm (muestra: Universidad del Sureste de Nanjing, China) [2].
11
Los valores de densidad de las espumas ALPORAS van desde 0.18 hasta 0.24 g cm-3, los
tamaños de celda están distribuidos en el rango de 1-13 mm y se tiene un diámetro de celda
medio de 4.5 mm. Estas espumas tienen excelente absorción de sonido y excelentes
capacidades en la absorción de energía de impacto, y principalmente se aplican como
silenciadores [4].
2.4.1.3 Precursor Espumable Producido por Técnicas de Metalurgia de Polvos
Este método es utilizado por FOAMINAL y Alulight para producir espumas de poro cerrado
de aleaciones de aluminio [2], este ultimo logrando obtener espumas con porosidades entre
63 y 89 % y tamaños de poros del orden de milímetros (Fig. 2.6) [3]. El proceso de
producción de las espumas usando este método, empleado por Alulight, se muestra en la
Fig. 2.7, y el de FOAMINAL, en la Fig. 2.8.
Figura 2.6. Espuma de aluminio obtenida mediante un precursor espumable producido por
pulvimetalurgia (Alulight) [3].
La técnica también se ha utilizado para producir espumas de acero, y estructuras tipo
sándwich espumadas en un solo paso. El proceso consiste en producir un precursor
espumable que resulta de mezclar partículas metálicas con un agente espumante y un
elemento reforzante para aumentar la viscosidad del metal fundido. El secreto para producir
un precursor conveniente es 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 puede estar compactada en caliente a una
12
temperatura por debajo de la que provoca la 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 (que está por debajo de la temperatura
de fusión) y la descomposición es inhibida por la alta presión. 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 cocción y la aleación
usada. Esta técnica se ha usado para producir espumas de aluminio, bronce y cobre, con
0.5 y 1 % de hidruro de titanio o bicarbonato sódico como agentes espumantes [3].
Figura 2.7. Proceso de producción de partes de espuma de aluminio por la ruta Alulight [6].
Figura 2.8. Proceso de IFAM* para la producción de Espumas Metálicas [5].
* Instituto de Manufactura y Materiales Avanzados (IFAM, por sus siglas en alemán).
13
2.4.1.4 El Proceso FOAMCARP
El proceso FOAMCARP, desarrollado por V. Gergely et al. [18], tiene la capacidad de
generar espumas de poro cerrado con celdas mas finas (diámetro < 1 mm) y una estructura
de celdas o poros mas uniforme, además de tener valores de porosidad en las espumas que
van desde el 77 al 86 % (Fig. 2.9), usando carbonato de calcio como agente espumante.
Figura 2.9. Micrografías ópticas de materiales celulares de Al-9Si-0.5Mg/10 vol. % SiC, usando (a) y
(c) carbonato sintético de ≈ 25 µm y, (b) y (d) ≈ 100 µm mostrando el efecto del tamaño de partícula,
temperatura (T) y tiempo de espumado (t) sobre la porosidad de la espuma (P) y su estructura [18].
Un tipo de composito de matriz metálica DURALCAN es usado en la preparación de las
espumas por este método. La matriz metálica (Al-9Si-0.5Mg) contiene un 10 vol. % de
SiC [18].
El compuesto de matriz metálica (≈ 1 kg) se funde y se lleva a una temperatura aproximada
de 650 °C (la temperatura de liquidus de la aleación se encuentra alrededor de 605 °C).
Después, una mezcla de polvos de agente espumante y Al-12Si (con relación en masa de
14
1:2) se introduce en el metal fundido y se agita a 1200 rpm aproximadamente. Cuando la
agitación termina, el compósito semisólido se vacía en un molde que se encuentra a
temperatura ambiente. La cantidad de carbonato es de ≈ 3.5 % de la masa total del
compósito [18].
En una última etapa, el molde con el precursor se introduce en un horno, el cual esta
precalentado a una temperatura mas alta que la temperatura de descomposición del agente
espumante (el horno puede estar precalentado a 650 °C ó 750 °C). El calentamiento
provoca la descomposición del agente espumante y el gas liberado (CO2) provoca que el
metal fundido se espume. Finalmente, después de un periodo específico, el molde con el
material espumado se extrae y se enfría en aire [18].
2.4.2 Usando Como Molde una Estructura Celular
2.4.2.1 Preforma Soluble en Agua
Desarrollado en el Instituto Federal de Tecnología Suizo, consiste en llenar un molde con un
material de bajo costo que formará los poros (rocas de sal), el cual se agita y mezcla hasta
obtener una densidad estable. Se sinteriza al aire y se enfría. Al fundir los granos de sal en
los puntos de contacto se produce un bloque rígido de sal con la forma del molde,
manteniendo canales abiertos en los espacios entre los granos originales. En el proceso
más simple, el aluminio fundido se vierte simplemente en el bloque para infiltrar los canales.
La estructura entera es removida del molde, enfriada, y colocada en agua para disolver la
sal. Al final, se obtiene una espuma con poro abierto cuyo tamaño y diseño es similar a los
granos de sal originales, y un tamaño celular mínimo de aproximadamente 1 mm [3].
Una versión más avanzada de este proceso infiltra el metal líquido a presión por un gas
inerte, dónde la preforma de sal está al vacío. Posteriormente, como en el proceso anterior,
se disuelve la sal y se obtiene una espuma de poro abierto. El uso de presión durante el
paso de infiltración produce espumas con poros pequeños de hasta 50 μm. Este proceso
ofrece la posibilidad adicional de usar granos de sal de diversos tamaños durante la
producción de la preforma para producir espumas con diferentes tamaños de poro, en
regiones diferentes o con una distribución controlada de tamaño de poro. Se han producido
espumas con un tamaño de poro entre 50 μm y 5 mm [3].
15
2.4.2.2 Infiltración en Dos Etapas
El proceso de infiltración en dos etapas se utiliza para hacer espumas de aluminio de poro
abierto que reproduce la forma de las espumas poliméricas con un buen control dimensional
[3]. El proceso es mostrado en la descripción esquemática de la Fig. 2.10.
De acuerdo a este proceso, una espuma polimérica, por ejemplo, espuma de poliuretano, es
usada como punto de partida. Si la espuma polimérica tiene poros cerrados, tiene que ser
transformada en una de poros abiertos mediante un tratamiento para reticular. La espuma
polimérica resultante con celdas abiertas es entonces rellenada con un lodo de un material
resistente térmicamente, como por ejemplo una mezcla de mulita, resina fenólica y
carbonato de calcio, o tan solo yeso. Posteriormente, la espuma polimérica se remueve
sometiéndola a un tratamiento térmico, y el metal fundido puede ser ahora vaciado en los
huecos abiertos resultantes, los cuales reproducen la estructura original de la espuma
polimérica. La aplicación de presión y un calentamiento en el molde puede ser necesario si
el arreglo de las cavidades no son llenadas satisfactoriamente con metal líquido vaciando
simplemente por gravedad. Después de que el material molde ha sido removido (por
ejemplo, usando agua presurizada), una estructura metálica es obtenida, la cual es una
replica exacta de la espuma polimérica original [2].
Figura 2.10. Producción de metales celulares por moldeo o fundición a la cera perdida (investment
casting) [2].
La Fig. 2.11 muestra una micrografía de un material celular de aluminio fabricado por esta
técnica. Tales espumas se han vendido por EGR en Oakland (EE. UU.) bajo la marca
registrada de Duocel, y también por una empresa japonesa. Algunos ejemplos de
16
componentes de espumas de aluminio realizados en la Universidad de Aachen son
mostrados en la parte derecha de la Fig. 2.11. Aleaciones de aluminio como la 6101 o
AlSi7Mg (A356) son utilizadas habitualmente, sin embargo, otros metales como el cobre y el
magnesio, también pueden ser procesados [2]. La porosidad puede ser hasta del 98 %, con
un tamaño de poro entre uno y varios milímetros. Este método se usa para producir,
comercialmente, espumas para intercambiadores de calor, filtros y materiales de absorción
acústica [3].
Figura 2.11. Izquierda: imagen de microscopia electrónica de barrido de Duocel, derecha: algunas
partes producidas por moldeo o fundición a la cera perdida (investment casting) (el cilindro de mayor
tamaño tiene un diámetro aproximado de 40 mm) [5].
2.4.2.3 Deposición Sobre Una Preforma
Se han desarrollado procesos para depositar metal sobre espumas de polímero de poro
abierto. Una vez que el polímero es cubierto, totalmente, con el metal, se sinteriza para
remover el polímero [3].
2.4.2.3.1 Electrodeposición
El metal es eléctricamente depositado en una espuma polimérica de celdas abiertas, la cual
es removida posteriormente (Fig. 2.12) [2].
17
La espuma polimérica se remplaza por un metal durante el procesamiento. La
electrodeposición sobre una espuma polimérica requiere de conductividad eléctrica de la
espuma de polímero inicial. Lo anterior es logrado mojando la espuma polimérica en un
fluido coloidal eléctricamente conductivo, de grafito o negro de carbono, y sumergiendo la
espuma en una solución de recubrimiento electroless (electroless plating solution) o
recubriendo el polímero con una capa delgada conductiva mediante sputtering catódico
(cathode sputtering). Después de aplicar el recubrimiento, el polímero puede ser removido
del composito metal/polímero mediante un tratamiento térmico. Un arreglo tridimensional de
canales metálicos huecos es obtenido, como se muestra en la Fig. 2.13. La inserción de la
fotografía muestra que los canales son huecos [2].
Figura 2.12. Técnica de electrodeposición para realizar espuma metálica [2].
El tamaño de celda correspondiente es de 0.5 a 3.2 mm, el rango de áreas superficiales de
500 a 7500 m2 m-3. Los metales preferidos son níquel o aleaciones níquel-cromo, sin
embargo,
espumas
de cobre también se fabrican.
Las espumas se producen
comercialmente bajo el nombre de Retimet (Dunlop, Reino Unido), Celmet (Sumitomo
Electric, Japón) y Recemat (SEAC, Los Países Bajos). Los volúmenes de producción de
Sumitomo se informa que son en el rango de cientos de toneladas por año. Placas con
espesores entre 2 y 20 mm están disponibles con densidades desde 0.4 a 0.65 g cm-3 para
las espumas de níquel y níquel-cromo [2].
18
Figura 2.13. Espuma de níquel preparada por electrodeposición. Inserción: micrografía de los bordes
de algunos canales huecos (Fuente: Fraunhofer) [2].
2.4.2.3.2 Deposición en Fase Gaseosa
Una preforma de polímero de poro abierto es cubierta con un material de gran absorción de
infrarrojo, normalmente negro de carbono o pigmentos apropiados [3].
Vapor metálico en una cámara de vacío se produce y se condensa sobre una preforma fría.
El metal condensado recubre la superficie de la preforma polimérica y forma una película de
cierto espesor definida por la densidad del vapor y el tiempo de exposición. Una manera de
llevar a cabo este proceso es mediante la deposición en fase gaseosa por arco (arc vapour
desposition) [2].
De manera alternativa, para fabricar espumas de níquel se puede hacer uso de la muy
eficiente ruta del carbonilo de níquel para recubrir la preforma con níquel a temperaturas
muy bajas. El carbonilo de níquel es producido mediante la reacción Ni + 4CO → Ni (CO)4.
El carbonilo de níquel es un gas, el cual se descompone en níquel y monóxido de carbono,
cuando se calienta a temperaturas por encima de 120 °C. Se puede entonces recubrir la
preforma de polímero dejando que un flujo de gas de carbonilo de níquel pase a través de él
a tales temperaturas. El níquel formado durante la descomposición se acumulará en la
preforma, creando un recubrimiento metálico. El polímero puede, de una manera simple
mantenerse a la temperatura de descomposición requerida del carbonilo, calentando con
radiación infrarroja. Después de enfriar, el polímero puede ser removido usando un
19
tratamiento térmico o químico, y el mismo tipo de material con canales huecos se obtiene
como en el proceso de electrodeposición [2].
Las espumas de níquel producidas de esta manera están comercialmente disponibles bajo
el nombre de INCOFOAM como placas delgadas de hasta 3.3 mm de espesor. El rango de
densidades es de 0.2 a 0.6 g cm-3 [2], tamaños de celdas entre 450 a 3200 μm, porosidades
altas de hasta 98 % [3], la pureza del material es muy alta (99.97 % Ni), y las resistencias a
la tensión se encuentran alrededor de 0.6 MPa para espumas de densidad media [2].
Las espumas producidas por este método son mecánicamente más fuertes y muestran
mejor conductividad que las espumas electrodepositadas, debido, principalmente, a que se
obtienen superficies más uniformes [3]. La apariencia de INCOFOAM (mostrada en la
Fig. 2.14) es muy similar a la de las espumas hechas por electrodeposición. La principal
aplicación es como material de soporte para la unión de electrodos de batería [2].
Figura 2.14. Muestra de INCOFOAM realizada por el proceso de carbonilo de níquel [2].
2.4.3 Métodos Basados en la Unión de Materiales
2.4.3.1 Sinterización de Polvos de Metal y Gránulos sin Consolidación
En general, la producción de estructuras porosas consiste de varios pasos: fragmentación y
preparación de polvos, compactado o moldeado, y sinterizado [2]. La sinterización parcial de
polvos de metal produce espumas con porosidades relativamente bajas, típicamente entre
30 y 50 % y poro abierto (Fig. 2.15). La porosidad puede incrementarse incorporando un
material de relleno que se evapore o desintegre durante el proceso de sinterización.
20
Sustituyendo los polvos de metal, total o parcialmente, por fibras cortas o gránulos, puede
obtenerse un rango más alto de porosidad (por encima del 96 o 98 %) y el material obtenido
puede utilizarse para filtros de alta permeabilidad. Las espumas producidas de fibras tienen
ductilidad y resistencia significativamente más alta que aquéllas hechas de polvos
metálicos [3].
Figura 2.15. Bronce poroso sinterizado constituido de partículas con diámetro de alrededor de
100 µm [2].
Una gran variedad de metales pueden ser usados en esta técnica, incluyendo titanio o súper
aleaciones, aunque el bronce y el acero inoxidable abarcan la mayor parte de las
aplicaciones. Realizar metales porosos utilizando polvos o gránulos de aleación de aluminio
es mas difícil que usando los metales anteriormente mencionados debido a que el aluminio
esta normalmente cubierto por una capa de óxido, que previene que las partículas se
sintericen. Para evitar este problema, se puede deformar la mezcla de polvos o gránulos
durante el prensado para romper las capas de óxido y crear una unión metálica entre las
partículas. De manera alternativa, auxiliares para el sinterizado pueden ser empleados,
como polvos de cobre, silicio o magnesio que forman una aleación eutéctica de bajo punto
de fusión durante el sinterizado a temperaturas de 595 a 625 °C. Para el sinterizado sin
presión, los gránulos de aluminio y los auxiliares de sinterizado se pueden moler para iniciar
procesos de aleación inducidos mecánicamente previo al sinterizado [2].
21
2.4.3.2 Sinterización de Esferas Huecas de Metal
Las espumas son fabricadas por sinterización de esferas huecas de metal, en lugar de
polvos. Las espumas producidas no contienen una proporción grande de metal sólido, por lo
que pueden obtenerse densidades muy bajas. Las esferas con diámetros entre 500 y
6000 μm, con espesor de pared entre 5 y 400 μm, pueden, fácilmente, concentrarse en
agrupaciones regulares [3], ya sean ordenadas o desordenadas, para producir materiales
ligeros de porosidad abierta o cerrada [2].
La sinterización de las esferas, fundiéndose en los puntos de contacto, ha producido
espumas de acero y otros materiales [3], como el cobre, níquel o titanio [2], con densidades
relativas, entre 80 y 87 %, con buenas propiedades mecánicas [3]. Un ejemplo de una
estructura de poro abierto de esfera hueca sinterizada, antes y después de una deformación
uniaxial, se muestra en la Fig. 2.16.
Figura 2.16. Estructura de poro abierto de esferas huecas de acero inoxidable realizadas por
sinterización: antes y después de deformarla axialmente. El diámetro de las piezas es de alrededor
20 mm (Fuente: Fraunhofer) [2].
2.4.3.3 Producción a Partir de Polvo, Disolviendo una Parte Soluble
Espumas metálicas de poro abierto se realizan llenando un molde impregnado de grafito con
una mezcla de polvos de aluminio y granos de NaCl (de 4 mm de ancho). El conjunto, una
22
vez compactado y sinterizado a una temperatura por encima del punto fusión del aluminio,
se convierte en una preforma sólida densa de dos fases. Esta preforma se introduce en
agua donde la sal se separa por dilución de la espuma de aluminio. Debido a la necesidad
de asegurar una red continua de aluminio, la porosidad máxima recomendada es del 85 %;
de la misma forma, la porosidad mínima deberá ser del 50 % para evitar atrapar el NaCl en
la estructura final, que podría corroer al aluminio durante su vida en servicio. Las espumas
tienen tamaños de poro entre 50 μm y 10 mm. El tamaño de los poros se controla
escogiendo el tamaño adecuado del NaCl. No hay restricción en las aleaciones utilizadas.
La geometría de los polvos utilizados debe ser suficientemente simple para permitir una fácil
compactación [3].
2.4.4 Métodos que Aprovechan Sistemas de Aleación Específicos
2.4.4.1 Sistemas de Aleación Con Una Fase Volátil
Fue el primer método utilizado para la fabricación de una espuma metálica. Desarrollado en
1948, este proceso consta de la expansión rápida del metal fundido a alta presión y
temperatura, en presencia de un metal volátil (mercurio, magnesio, zinc o cadmio) [14]. El
proceso se muestra esquemáticamente en la Fig. 2.17. Durante el calentamiento, los dos
metales permanecen dentro de un vaso a presión (etapa 1) y se calientan por encima de la
temperatura de vaporización del componente más volátil. El mercurio se vaporiza totalmente
debido a la presión dentro del vaso. El calentamiento continúa hasta la temperatura de
fundición del metal, y una vez fundido el aluminio queda atrapado el gas del mercurio
(etapa 2). La masa fundida es removida del vaso a presión, y el mercurio se vaporiza
totalmente y se expande dentro del metal fundido, para producir una espuma (etapa 3) que
se enfría y solidifica. La velocidad del proceso de espumado hace difícil obtener una
estructura celular uniforme o reproducible [3].
23
Figura 2.17. La producción de espuma de aluminio por la incorporación de una fase volátil. Se funde
el metal bajo presión, y al bajar la presión bruscamente se produce la espumación [3].
2.4.4.2 Solidificación Direccional en Metales Fundidos Saturados de Gas
El proceso GASAR (desarrollado en la Academia Estatal de Metalurgia de Ucrania, en 1993,
significa reforzado con gas) aprovecha que algunos metales líquidos forman un sistema
eutéctico con el hidrógeno; estos metales son fundidos en una atmósfera de hidrógeno bajo
alta presión (por encima de 5 MPa) y el resultado es una fundición homogénea cargada de
hidrógeno. Si la temperatura baja, la fundición sufrirá una transición eutéctica a un sistema
heterogéneo de dos fases (sólido + gas). Cuando la fundición solidifica gradualmente, en
una base fría del crisol (entre 0.05 y 5 mm s-1), el gas formado en la transformación eutéctica
es atrapado en el metal en forma de poros largos y paralelos alineados en la dirección del
enfriamiento, estando su morfología determinada por la dirección del enfriamiento, la presión
del gas, el metal o la aleación usada, la presencia de inclusiones no disueltas y la
temperatura de fusión [3].
Se han fabricado espumas usando berilio, cromo, cobre (ver Fig. 2.18), hierro, magnesio,
manganeso, molibdeno, níquel, titanio, cobalto, aluminio, silicio, aleaciones Al-Cu y Al-Si,
acero [19], y también cerámicos [6], con porosidades entre 5 y 75 %, diámetros de poro
entre 10 μm y 10 mm y longitudes de poro de 100 μm a 300 mm. La uniformidad de los
poros es variable, tendiendo a ser mejor en la primera parte del metal solidificado (cerca de
la base enfriada del crisol) que en las partes superiores. Este proceso produce espumas de
baja porosidad y baja calidad, donde los niveles de porosidad máximos no son
particularmente altos [3].
24
Figura 2.18. Micrografías típicas de sección transversal (arriba) y longitudinal (abajo) de espuma de
cobre GASAR, (a) Porosidad: 32.6 %, (b) Porosidad: 44.7 % [19].
Después de haber recorrido las rutas para obtener espumas metálicas, describiendo los
procesos y características de cada uno, en la Tabla 2.1 se presentan las ventajas y
desventajas de la mayoría de estas rutas.
25
Tabla 2.1. Ventajas y Desventajas de Rutas de Obtención de Espumas Metálicas.
Ruta
El proceso
Hydro/Alcan
-
Ventajas
Técnica de fabricación
continúa.
Producción en grandes
cantidades.
Proceso económico y
relativamente sencillo.
Se logran bajas
densidades.
-
-
El proceso
ALPORAS
- Tamaño de celda más
uniforme, con poro más
pequeño y más homogéneo
que la espuma Alcan.
- No requiere la adición de
partículas cerámicas.
- Proceso relativamente
sencillo.
-
Precursor
espumable
producido
por técnicas
de
metalurgia
de polvos
(FOAMINAL,
Alulight)
- Dimensiones y forma de la
espuma, muy cercanas a la
pieza final.
- Flexibilidad en la elección
del metal.
-
Desventajas
Dificultades para controlar la
dispersión del gas.
Amplio rango de tamaño de
poros (bajas propiedades
mecánicas).
Espumas con propiedades
anisotrópicas.
Solo se producen planchas de
espuma con superficie
irregular.
Necesidad de procesamiento
o maquinado posterior.
Partículas cerámicas inducen
fragilidad en el producto.
Únicamente se puede emplear
aluminio y algunas aleaciones.
Debido a los aditivos que se
usan, es más costoso.
No se pueden obtener
espumas de geometría
específica o compleja.
Mezcla no uniforme de agente
espumante y aluminio fundido.
Distribución amplia de tamaño
de poro.
Campo de aplicación
reducido.
No satisfactoria la uniformidad
en la estructura de poros.
Dificultad para fabricar piezas
de gran volumen.
El costo de polvos metálicos
es alto.
El control del proceso debe
ser mejorado.
Proceso complejo debido al
número de pasos requeridos
para obtener piezas de
espuma.
Ref.
[3,6]
[3, 4,6]
[3, 6]
26
Continúa Tabla 2.1
Ruta
El proceso
FOAMCARP
Preforma
soluble en
agua
Infiltración en
dos etapas
(Duocel)
Sinterización
de polvos de
metal y
gránulos sin
consolidación
Ventajas
- Se previene la evolución
prematura del gas del agente
espumante.
- Estructura de poros más
uniforme.
- Se tiene una estabilización
del metal fundido desde que
se libera el gas hasta su
solidificación.
- Distribución controlada de
tamaño de poros.
- Se pueden producir espumas
con diferentes tamaños de
poro.
- Costo bajo ya que no se
utiliza metal en polvo.
- No hay restricción en los
metales o aleaciones que se
pueden usar (a no ser que
reaccionen con la sal o el
agua).
- La calidad de las espumas
es buena.
- Puede fabricarse por esta
técnica cualquier metal o
aleación.
- Se logran fabricar partes de
forma compleja.
- Los materiales porosos
tienen estructura ordenada.
- Se alcanzan bajas
densidades.
- Se pueden fabricar mediante
esta técnica, una amplia
gama de metales y
aleaciones.
- Espumas con dimensiones
finales requeridas.
Desventajas
- Debido al tamaño de poros, las
áreas de aplicación se reducen
solo a absorción de energía.
- El manejo de polvos metálicos
lo hace un proceso costoso.
- Adición de compuestos
cerámicos (fragilización de la
espuma).
Ref.
[18]
- Proceso lento.
- Dificultad de escalar a nivel
industrial.
- El proceso involucra muchos
pasos.
[3]
- Proceso complejo.
- Daño en la estructura al
desmoldear el producto.
- El proceso es costoso
(2-5 USD / pulg3).
- Producir y manejar los gránulos
es costoso.
- Utilizar polvos metálicos lo hace
un proceso costoso.
- Resistencia mecánica pobre de
espumas debido a los
pequeños puntos de contacto
entre granos de polvo o
gránulos.
[2,3,
6]
[3]
27
Continúa Tabla 2.1
Ruta
Sinterización de
esferas huecas
de metal
-
Producción a
partir de polvo,
disolviendo una
parte soluble
-
Solidificación
direccional en
metales fundidos
saturados de gas
(GASAR)
-
Ventajas
La distribución de poros y
el tamaño de poros no es
aleatoria.
Espumas con buenas
propiedades mecánicas.
Las propiedades físicas y
mecánicas son más
predecibles.
Aplicaciones que involucran
alta temperatura debido a
la variedad de materiales
que pueden ser utilizados
mediante esta técnica.
No hay restricción en las
aleaciones utilizadas.
El proceso permite obtener
las espumas con la forma
final.
Las espumas obtenidas
son de alta calidad.
Espumas con gran
reproducibilidad de
propiedades.
Se pueden producir
espumas de diversos
materiales: Ni, Cu, Al, Mg,
aceros y cerámicos.
Desventajas
- Técnica relativamente
difícil a escala industrial.
- Es un proceso costoso.
- Proceso que requiere
gran número de pasos.
Ref.
[2,3]
- Muestras grandes
repercuten en la
producción debido al largo
tiempo que toma disolver
toda la sal.
- Proceso es relativamente
costoso debido al manejo
de polvos finos.
- Difícil a escala industrial.
- Distribución bastante
amplia de tamaño de
celda.
- Distribución no uniforme
de poros.
- La forma final solo puede
reproducirse para formas
simples.
- La fabricación es lenta y
difícil a escala industrial.
- El proceso es complejo y
costoso.
[3]
[3,6]
28
2.5 RUTAS DE OBTENCIÓN DE ESPUMAS ALUMINIO UTILIZANDO AGENTE
ESPUMANTE TRATADO TÉRMICAMENTE: ESTADO DE LA TECNOLOGÍA
El proceso FORMGRIP y varios trabajos de investigación sobre la obtención de un precursor
espumable por la técnica de metalurgia de polvos, han utilizado un agente espumante
tratado térmicamente para producir espumas de mejor calidad [8,9,10,11].
El proceso FORMGRIP, en el cual una capa protectora de óxido es creada en la superficie
de partículas de TiH2, elimina el problema de la liberación prematura de gas durante la
dispersión del hidruro en el metal fundido, facilitando la producción de un precursor
espumable por la vía de la fundición [9].
Mediante la técnica de metalurgia de polvos, se puede producir un precursor espumable, el
cual consiste de una mezcla de polvos de hidruro de titanio (agente espumante) tratado
térmicamente y, polvos de aluminio [8] o AlSi6Cu4 [10,11]. Aplicar un tratamiento térmico al
TiH2 permite disminuir la diferencia entre la temperatura de descomposición del agente
espumante y la temperatura en la cual el metal se funde.
2.5.1 El Proceso FORMGRIP
2.5.1.1 Primera Etapa.
Polvos de hidruro de titanio pre-tratado (~ 30 µm de diámetro) se mezclan con polvos de
Al-12Si (~150 µm) en una relación en peso de 1:4. El pre-tratamiento consiste de una
secuencia de oxidación de dos pasos (400 °C / 24 h + 500 °C / 1 h) en aire, para generar
capa de dióxido de titanio en la superficie que funcione como barrera para inhibir la difusión.
El hidruro se agita periódicamente durante el pre-tratamiento para asegurar una
pre-oxidación uniforme [9].
La mezcla de polvos se dispersa en un compósito fundido (~ 620 °C) de Al-9Si / SiC
(Duralcan) mientras este se enfría gradualmente, usando agitación mecánica convencional
(1200 rpm). Las partículas de SiC adicionadas previamente al Al-9Si, incrementan la
viscosidad del compósito, para lograr estabilidad de la estructura celular. El material fundido
se agita alrededor de un minuto después de la introducción de los polvos. La cantidad de
agente espumante incorporado es de 1.5 % en peso de la masa del composito (~ 1 kg). Este
29
procedimiento produce materiales precursores, teniendo porosidades (P) relativamente
bajas: a) P = 23 %, 10 % en volumen de SiC y b) P = 14 %, 20 % en volumen de SiC [9].
2.5.1.2 Segunda Etapa
El precursor, el cual se coloca en un molde de grafito (30 mm × 30 mm × 45 mm), es
calentado en el estado líquido, cuando la evolución progresiva del hidrógeno lo convierte en
una estructura celular. El horneado es llevado a cabo en una mufla convencional de
laboratorio. La temperatura es registrada usando un termopar localizado en una cavidad del
molde. Los historiales térmicos (T1-T6) impuestos sobre los materiales precursores se
muestran en la Fig. 2.19. Un esquema de la propuesta, de escalar la técnica para la
producción industrial de componentes de espuma metálica cercanos a su forma final, se
representa en la Fig. 2.20 [9].
Figura 2.19. Historiales térmicos (T1-T6) impuestos sobre el material precursor composito para
general material espumado [9].
Figura 2.20. Esquema de la ruta propuesta para la producción industrial de componentes de espuma
metálica cercanos a su forma final [9].
30
En la Fig. 2.21, se pueden visualizar muestras de espuma de poro cerrado obtenidas por el
proceso FORMGRIP, mostrando además, los valores de densidad y diámetros de celda,
dependiendo del perfil térmico al que fueron sometidas y del contenido de SiC.
Figura 2.21. Micrografías ópticas de secciones de espumas del compósito Al-9Si / SiC mostrando
como el contenido de las partículas de SiC (10 ó 20 % en volumen) y los perfiles térmicos impuestos
T1-T6 (ver Fig. 2.19) afectan la estructura, porosidad (P) y el diámetro de celda promedio (d) de las
espumas [9].
2.5.2 Técnica de Metalurgia de Polvos
A. Kennedy [8] investigó el efecto de aplicar tratamientos térmicos al agente espumante para
formar precursores espumables, los cuales consistían de aluminio puro y TiH2 (sin
tratamiento y con tratamiento térmico). El procedimiento para producir espumas de aluminio
comienza con el tratamiento térmico del TiH2 a 400, 450, 500 y 550 °C durante 15 minutos
en atmósfera libre. Después, polvos de aluminio con un 99.9 % de pureza se mezclan con
0.6 % ya sea de los polvos del agente espumante sin tratar o con tratamiento térmico,
31
seguido de una compactación con una presión de 650 MPa para obtener el precursor
espumable, el cual es colocado en un molde de acero inoxidable e introducido en un horno
precalentado a 850 °C y dando tiempos de calentamiento de 6 a 10 minutos. En la etapa
final, las muestras se remueven del horno y se enfrian con aire. Los resultados mostraron
que las espumas con mejor expansión fueron las producidas por el precursor
Al + TiH2 500 °C 15 min. con un tiempo de espumado de 7 minutos. Se logró que el TiH2
tratado térmicamente tuviera una temperatura de descomposición mayor, cercana a el punto
de fusión del aluminio, sin embargo, la calidad de las espumas no era la adecuada, ya que
no se logro prevenir del todo el escape del hidrogeno del precursor, provocando fisuras en el
producto final.
B. Matijasevic-Lux et al. [10,11] aplicaron también diversos tratamientos térmicos al agente
espumante para crear precursores, los cuales en este caso consistían de AlSi6Cu4 y
TiH2 (sin tratamiento y con tratamiento térmico). Para producir las espumas, se realizan en
primera instancia tratamientos térmicos al TiH2 a 440, 460, 480, 500 y 520 °C durante 90,
180 y 360 minutos. Los precursores espumables se preparan mezclando polvos de, aluminio
(99.74 % de pureza), silicio (98.5 % de pureza) y cobre (99.8 % de pureza), con 0.5 % en
peso de los polvos de TiH2 ya sea sin tratamiento o con uno de los diversos tratamientos.
Para obtener el precursor espumable, la mezcla se compacta a temperatura ambiente y
después se calienta a 450 °C, para finalmente compactarse por segunda vez con una
presión de 200 MPa durante 30 min. El precursor era colocado en un molde de acero
precalentado a 650 °C dentro de un horno a la misma temperatura. En las Fig. 2.22 y 2.23,
se muestra que el precursor con TiH2 tratado a 520 °C por 180 minutos, logra producir
espumas con poros más esféricos y con mejor distribución.
32
Figura 2.22. AlSi6Cu4 espumado usando (a) TiH2 sin tratamiento (porosidad P = 53 %),
(b) TiH2 pre-tratado, 440 °C, 180 min (P = 56 %), (c) 480 °C, 180 min (P = 61 %), (d) 520 °C,
90 min (P = 60 %), (e) 520 °C, 180 min (P = 57 %). La dirección de la expansión se desarrolló de
abajo hacia arriba [10].
Figura 2.23. Espumas de aluminio después de la expansión para una altura aproximada de 2, 2.5 y 4
veces la altura del precursor original (de arriba hacia abajo). Espumado con, columna izquierda: TiH2
sin tratar, derecha: TiH2 tratado a 520 °C por 180 min. Ancho de la muestra es de 36 mm [11].
33
En la Tabla 2.2 se presentan las ventajas y desventajas de los procesos que han utilizando
agente espumante tratado térmicamente.
Tabla 2.2. Ventajas y Desventajas de las Rutas de Obtención de Espumas de Aluminio
Utilizando Agente Espumante Tratado Térmicamente.
Ruta
El proceso
FORMGRIP
Técnica de
metalurgia de
polvos
Ventajas
- Se puede controlar
relativamente el tamaño
de poro y la porosidad,
modificando diversos
parámetros del proceso.
- La distribución de poros
es muy buena (se
previene la liberación
prematura de gas del
agente espumante).
- Se pueden obtener
productos muy cercanos
a la forma final requerida.
Desventajas
- Tiempos de tratamiento
muy largos para el
agente espumante.
- La presencia de
partículas de SiC en las
paredes de los poros
fragilizan el producto.
- El manejar polvos de
Al-12Si hace costoso el
proceso.
- Dificultad para producir
piezas de gran
volumen.
- Limitación para obtener
piezas de forma
compleja.
- Dimensiones y forma de
la espuma, muy
cercanas a la pieza final.
- Se tienen menos
perdidas por escape de
gas durante la etapa de
espumado.
- Uniformidad en la forma
de poros,
- mejora considerable en
la uniformidad del
tamaño de poros y
- distribución de los poros,
comparado con la
técnica de metalurgia de
polvos que no usan TiH2
tratado térmicamente.
- Las porosidades no son
lo suficientemente altas.
- Dificultad en la
fabricación de piezas de
gran volumen.
- El costo de polvos
metálicos es alto.
- El control del proceso
debe ser mejorado.
- Proceso relativamente
lento y complejo debido
al número de pasos
para obtener piezas
espumadas.
- A pesar de que se logra
aumentar la
temperatura de
descomposición del
TiH2, no es suficiente
para evitar que la
liberación del hidrogeno
se presente antes de
que el metal se funda.
Ref.
[9]
[3,6,8,10,11]
34
2.5.3 El Hidruro de Titanio como Agente Espumante
Por mucho, el agente espumante mas comúnmente utilizado para las aleaciones de
aluminio, es el hidruro de titanio (TiH2), ya sea tratado térmicamente [8,9,10,11] o sin tratar
[4,5,6,13], debido principalmente a su alto contenido especifico de hidrógeno, una razonable
y buena correspondencia entre su temperatura de descomposición y las típicas
temperaturas de fusión de las aleaciones, además de la rápida reacción en la cinética de
descomposición [18].
F. Zeppelin et al. [20] investigaron el comportamiento de varios agentes espumantes (TiH2,
ZrH2 y MgH2) en precursores espumables. Los resultados concluyeron que la máxima
expansión de las espumas de zinc, fue de hasta un 955 % en volumen, comparado con el
volumen del precursor, usando hidruro de titanio. Además, a modo de comparación,
después de concluir que el TiH2 genera el mejor espumado en zinc, el hidruro de titanio
logró producir espumas de aluminio con una expansión máxima del 400 % y espumas de
AlSi7 con una expansión máxima de hasta el 472 %.
2.6 PROPIEDADES DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
La principal ventaja de la utilización de las espumas de aluminio, es el disponer de unas
propiedades notablemente 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 [3].
Las propiedades de las espumas metálicas dependen en gran medida de las características
de los poros distribuidos a través de ellas. Estas características, los cuales incluyen el tipo,
forma, tamaño, número (porcentaje en volumen), uniformidad y área superficial de los poros,
pueden ser muy diferentes en metales espumados producidos mediante diferentes métodos,
lo que resulta en diferentes propiedades de los materiales. Por ejemplo, los poros que son
esencialmente esféricos y cerrados en metales espumados, que se producen desde el metal
fundido, tienden a presentar un grado mas alto de absorción de energía, mientras poros
interconectados forman un laberinto de poros que es de gran utilidad para materiales que
requieren
características
controladas
de
permeabilidad
[21].
Para
analizar
el
35
comportamiento de las espumas y sus posibles usos, sus propiedades se dividen en tres
grupos: físicas, químicas y mecánicas [3]. En esta sección se presentan algunas de las
propiedades físicas y mecánicas de las espumas metálicas.
2.6.1 Propiedades Físicas
2.6.1.1 Densidad
Una de las ventajas de las espumas de aluminio es su baja densidad, lo que permite fabricar
con ellas estructuras ultraligeras con elevada resistencia y rigidez específicas [3]. La
densidad de las espumas de aluminio se encuentra en el rango de 0.3 - 0.8 g cm-3 [13]. La
densidad de la espuma de aluminio 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 [3].
2.6.1.1.1 Densidad Relativa
La característica de ingeniería mas importante de las espumas metálicas es su densidad
relativa ρ* / ρS, donde ρ* es la densidad de la espuma de metal y ρS es la densidad del metal
o aleación que se constituye de las caras y aristas de los poros (es decir, la parte solida del
material). Cuando ρ* / ρS se incrementa, el espesor de las paredes también incrementa, y el
volumen de los poros disminuye [22].
2.6.1.2 Propiedades Elásticas
Los módulos de Young y de cizallamiento se calculan como la relación de las tensiones
frente a las deformaciones resultantes. La importancia técnica de que los módulos de Young
y de cizallamiento sean grandes, con relación a la densidad, ha dado lugar al desarrollo de
distintas técnicas para incrementar el valor de estas propiedades. Un módulo de elasticidad
36
relativamente alto, con densidad baja, permite obtener una rigidez específica muy alta y
puede minimizarse el peso de una estructura. El módulo de elasticidad en las espumas de
aluminio depende, fuertemente, de la densidad. La dependencia obedece a una función
potencial (E = Cte × ρn) con un exponente de valor, aproximadamente, n = 1.6. La función
potencial es dependiente del tamaño y distribución de los poros y la presencia de aditivos en
la aleación de aluminio y, por tanto, de la tecnología utilizada para la fabricación del
material [3].
2.6.1.3 Propiedades Térmicas y Eléctricas
Las relativamente bajas conductividades térmicas y las altas conductividades eléctricas que
presentan las espumas de aluminio son parte de sus propiedades únicas. En general, las
conductividades eléctricas y térmicas de los materiales espumados se reducen en
comparación a las de los materiales sólidos correspondientes, mientras que el coeficiente de
expansión térmica no presenta cambios. Espumas metálicas de celda abierta las convierten
en excelentes dispositivos de disipación de calor debido a su alta conductividad térmica
(comparado con cerámicos o espumas poliméricas), su alta área superficial interna y la
conectividad de los huecos, los cuales permiten que un gas refrigerante pase a través de
ellos [6].
2.6.1.4 Permeabilidad
La permeabilidad es la propiedad clave de los materiales de alta porosidad para una
variedad de propósitos, tales como filtración, separación líquido-líquido, atenuación de ruido,
etc. La permeabilidad generalmente aumenta con el aumento en el tamaño de poro. La
permeabilidad también se ve afectada por la rugosidad superficial de los poros y es
influenciada en gran medida por el número de poros cerrados presentes en la espuma. Solo
las espumas metálicas con poros abiertos posen alta permeabilidad [21].
37
2.6.1.5 Propiedades Acústicas
Las espumas de aluminio poseen la capacidad de absorber o rechazar parte de la energía
sonora que les llega [3]. Cualquier estructura que sea abierta, y la cual permita que el sonido
entre y haga vibrar los filamentos o fibras internas, absorberá energía acústica. Conforme
las ondas de sonido entran a la estructura, el pulso de la presión de la onda acústica causa
que los filamentos vibren. El movimiento mecánico resultante de estos filamentos disipa la
energía, la cual es liberada como calor [21].
Un silenciador de placa de espuma de metal puede tener un coeficiente de absorción de
sonido tan alto como el 99 %. Las características de los poros en espumas metálicas
afectan la absorción de sonido en diferentes frecuencias. En la mayoría de los casos, las
espumas de poro abierto son las que tienen el mejor desempeño en las aplicaciones para
absorción de sonido. El tamaño de poro afecta la eficiencia de absorción de las espumas a
cualquier frecuencia. Mientras más pequeños sean los poros, más alta será la eficiencia en
la absorción [21]. Además, el coeficiente de absorción también esta en función del espesor
de la espuma y su densidad [3].
2.6.2 Propiedades Mecánicas
Las propiedades mecánicas de las espumas de aluminio dependen, fundamentalmente, de
su densidad relativa [3], además del tamaño, estructura y distribución de poros, los cuales
también son parámetros importantes que determinan las propiedades [21].
La mayoría de las propiedades de las espumas de aluminio pueden ser relacionadas en
base a la densidad relativa de la espuma y de una constante característica de la propiedad
considerada. Estas propiedades se pueden calcular según la ley de la energía la cual se
expresa de la manera siguiente [3]:
Propiedad de la espuma = Constante de la propiedad × (ρespuma / ρsólido)n
2.6.2.1 Comportamiento a la Compresión
Los ensayos a compresión son muy habituales ya que muchas estructuras se diseñan para
trabajar a compresión. La dirección de deformación es importante en los resultados
38
obtenidos y se suele especificar que ésta sea paralela a la dirección del crecimiento de la
espuma [3].
Las paredes de las estructuras celulares colapsan cuando son comprimidas, debido a esto
los materiales porosos presentan diferentes curvas esfuerzo-deformación en comparación
con los materiales tradicionales. El comportamiento de tales materiales se encuentra entre el
que presentan los materiales elásticos y el que presentan los materiales plásticos, como se
muestra en la Fig. 2.24. La curva típica de esfuerzo de compresión-deformación de una
aleación de aluminio poroso exhibe una meseta (plateau) mas allá del esfuerzo de colapso
plástico σP (plastic colapse strenght) [23].
Figura 2.24. Ilustración de las tres regiones de deformación de un material celular mientras es
sometido a carga de compresión: (1) región elástica, (2) región de meseta (plateau region) y
(3) región de densificación. σP: esfuerzo de colapso plástico (plastic colapse strenght), MPa, εD:
deformación real de densificación [23].
2.6.2.2 Capacidad de Absorción de Energía
La capacidad de absorción de energía (la energía absorbida por unidad de volumen) esta
determinada simplemente por el área bajo la curva esfuerzo-deformación [21].
39
Los materiales celulares son excelentes absorbiendo energía, debido a que mantienen
niveles constantes de esfuerzo durante la deformación en la etapa de meseta, para la
mayoría de los casos [23], y por esto, la velocidad de deformación de las espumas de
aluminio es casi constante para un amplio rango de velocidades de aplicación de la
carga [3].
La estructura altamente isotrópica de la espuma hace que la energía mecánica recibida se
disperse por igual en todas las direcciones. Durante el impacto los poros se colapsan y
actúan de amortiguador, disipando la energía de choque [3].
Para las espumas de aluminio de poro cerrado con varias porosidades, como se muestra en
la Fig. 2.25, un aumento de (ρ* / ρS) conduce a un aumento y después una disminución de la
cantidad de energía absorbida. En este caso, cuando φ = 72.6 %, W esta en su valor
máximo. Una comparación con la Fig. 2.24 implica que la máxima absorción de energía
puede ser determinada considerando la magnitud de σP y εD simultáneamente, ya que este
máximo es el resultado máximo de σP × εD, (W ≈ σP × εD). Generalmente, si σP es grande,
entonces la correspondencia (ρ* / ρS) es grande, sin embargo, si εD es grande, la
correspondencia (ρ* / ρS) es pequeña. Este análisis realizado indica que se debe de
encontrar un balance entre las demandas del diseño y el costo de la producción [23].
Figura 2.25. Desempeño de absorción de energía para varias densidades relativas. φ: Porosidad,
-3
W: Absorción de energía por unidad de volumen, MJ m [23].
40
2.7 APLICACIONES DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
La alta relación rigidez-masa y la habilidad para la disipación de energía en colisiones, han
conducido a las espumas de aluminio a varias aplicaciones [10], especialmente en la
industria automotriz, aeroespacial, naval, ferroviaria y construcción. Su estructura le confiere
unas especiales características 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 [2,3].
Si es adecuada o no la espuma de metal para una aplicación en particular, depende de
ciertas condiciones, tales como el tipo y tamaño de poros y, cantidad de porosidad
requerida, área superficial interna total, las posibilidades para formar la espuma o para
manufacturar compositos entre la espuma y laminas o perfiles convencionales, y cuestiones
metalúrgicas y de costo como la idoneidad para la producción en gran volumen [6].
La Fig. 2.26 muestra que tipos de porosidad requieren los diversos campos de aplicación. A
pesar de que las aplicaciones estructurales están orientadas a espumas de poro cerrado y
las aplicaciones funcionales a espumas de poro abierto, la diferencia de si están destinadas
a una aplicación funcional o estructural, es más bien gradual [2].
Figura 2.26. Aplicaciones de metales celulares agrupados de acuerdo a su grado de porosidad
abierta requerida y si la aplicación es más funcional o estructural [2].
41
2.7.1 Industria Automotriz
La creciente demanda de seguridad en automóviles ha tenido como consecuencia vehículos
más pesados en muchos casos. Esto entra en conflicto con las exigencias de tener un
consumo bajo de combustible, por lo que se necesitan medidas adicionales en la reducción
de peso. Además de ofrecer una excelente solución en la disminución de peso, las espumas
metálicas también lo pueden ser para otros problemas como la disipación de calor,
absorción de energía en impactos y reducción de emisiones acústicas [2]. La Fig. 2.27
resume los tres campos de aplicación para las espumas metálicas (espumas de aluminio en
mayor proporción) en la industria automotriz.
Figura 2.27. Principales campos de aplicación en la industria automotriz de espumas metálicas para
uso estructural [2].
La empresa Cymat fabrica Cymat SmartMetal, espuma de aluminio. Este material ofrece una
mejor relación de propiedades: resistencia-peso, absorción de energía, aislamiento térmico y
acústico, reciclabilidad y un relativo bajo coste de producción, y son aplicadas en partes
absorbentes de impacto, vigas laterales, cajas de impacto (Fig. 2.28), partes de motor,
etc. [3]
Las espumas de aluminio presentan buenas propiedades frente a un amplio rango de
esfuerzos, se deforman proporcionalmente a la carga soportada y la absorción de energía
42
es aproximadamente isotrópica. 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. Las espumas de aluminio
se están utilizando en diferentes partes de vehículos de BMW y Audi, donde han supuesto
un aligeramiento estructural del 30% (según pruebas de BMW), además de reforzar la
seguridad debido a los absorbentes de impacto y la mejoría del índice NVH (ruido, vibración
y severidad) [3].
Figura 2.28. Caja de impacto de Metcomb [24].
Para el Cadillac Sixteen de GM se está fabricando suelo de espuma de aluminio, lo que
permite la misma firmeza que otros materiales con un menor peso y menor espesor,
brindando un mayor espacio interior y mejor índice NVH. En coches de competición, donde
la rigidez y el peso son aspectos muy importantes, el fabricante alemán Karmann ha
ensayado con paneles tipo sándwich tridimensionales ultraligeros [2].
2.7.2 Industria Aeroespacial
En aplicaciones aeroespaciales, el remplazo de las costosas estructuras de alma alveolar
(estructuras de alma tipo panal de abeja) por estructuras de espuma de aluminio tipo
sándwich, puede llevar a un mejor rendimiento y un menor costo. Por un lado, se busca
aumentar la resistencia al alabeo y al pandeo, mientras que por el otro lado, una importante
43
ventaja de las espumas es la isotropía de las propiedades mecánicas de los paneles (con o
sin láminas en las caras) y la posibilidad de fabricar estructuras compuestas sin necesidad
de pegado por adhesivos. Esto último mejora el comportamiento en caso de incendios,
donde es esencial que la estructura mantenga su integridad tanto tiempo como sea
posible [2].
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 [3].
En tecnología espacial, se ha desarrollado el uso de espumas de aluminio como elementos
que sean capaces de absorber impactos para los elementos de aterrizaje de los vehículos
espaciales y como refuerzo para estructuras de carga en satélites, remplazando materiales
que presentaban problemas en ambientes adversos en el espacio (cambios de temperatura,
vacío, etc.) [2].
La Agencia Espacial Europea (ESA, por su siglas en inglés) ha fabricado estructuras tipo
sándwich con centro de espumas de aluminio, en la construcción de conos espaciales para
el Ariane 5. Los ensayos realizados en las pruebas de vibración y estáticas con cargas
axiales y laterales han dado excelentes resultados [3]. La Fig. 2.29 muestra la estructura tipo
sándwich del cono y las direcciones de carga ensayadas.
Figura 2.29. Cono espacial [3].
44
2.7.3 Industria Ferroviaria
La aplicación de espumas metálicas en equipo ferroviario, sigue las mismas normas que en
la industria automotriz concerniente a los tres principales campos de aplicación [2]. La
absorción de energía es un tema muy importante en los ferrocarriles que discurren por áreas
urbanas, en las que pueden producirse colisiones con coches. Se han puesto en servicio, en
Japón, trenes de alta velocidad equipados con un bloque de 2.3 m3 de espuma de aluminio
para mejorar la absorción de energía en caso de impacto [3]. Las ventajas de usar
elementos de bajo peso como las espumas son las mismas que para los automóviles, donde
la diferencia es que los ferrocarriles necesitan estructuras de dimensiones mayores [2].
2.7.4 Construcción 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. Las espumas de
aluminio son un material prometedor para este tipo de estructuras [3]. Cuando se fabrican
estructuras de espuma de aluminio tipo sándwiches usando adhesivos de poliuretano
altamente elásticos, se pueden obtener estructuras rígidas y ligeras con un excelente
amortiguamiento, inclusive a las bajas frecuencias que experimentan los barcos [2].
2.7.5 Construcción
Existe un amplio rango de posibles aplicaciones en la construcción. Las fachadas de
modernos edificios de oficinas son decoradas con paneles ligeros, rígidos y resistentes al
fuego, sujetos a las paredes del edificio mediante soportes de espuma de aluminio. Las
barandillas de los balcones, que tienen que satisfacer rigurosas medidas de seguridad,
suelen ser de materiales demasiado pesados y problemáticos en caso de incendio, y
comienzan a ser sustituidos por espumas de aluminio. Las puertas y salidas de incendios
están hechas de espumas de aluminio de baja densidad, debido a la reducida conductividad
térmica y resistencia al fuego. Aunque el punto de fusión del aluminio es bastante bajo
(660 °C), las espumas de aluminio son sorprendentemente estables cuando son expuestas
45
a la flama, debido a la estabilidad de la capa de óxido formada superficialmente, en estas
condiciones [2].
Las espumas de aluminio de poro cerrado ALPORAS tienen un elevado coeficiente de
absorción de sonido, y es equivalente al de la lana de vidrio. Las espumas ALPORAS se
han aplicado en la parte inferior de autopistas y viaductos en elevación en Japón para
reducir el ruido del tráfico, y en algunos túneles de las líneas de ferrocarriles para atenuar
las ondas de choque [3,4].
La combinación de las propiedades de absorción de ruidos con otras características como la
resistencia al fuego y a la intemperie, la no generación de gases nocivos en el caso de
incendios y la sencilla limpieza de los paneles, hacen de las espumas un material con
muchas ventajas. La novedosa estética, junto a su capacidad para reducir y aislar los ruidos,
ha conducido a diseñar estructuras de cielo raso hechas con placas de espuma de aluminio
como en la cafetería Baluarte en Pamplona, España (Fig. 2.30) [3].
Figura 2.30. Cafetería Baluarte en Pamplona, España [25].
La capacidad de absorción de energía de las espumas de aluminio ha permitido desarrollar
sistemas estructurales que mitigan el daño por explosión en edificios, conformando
46
simultáneamente estructuras resistentes frente a la temperatura y el envejecimiento. Estos
sistemas se han ensayado en Australia, donde un edificio resistió una bomba de cinco
toneladas. Estos sistemas también se están utilizando en áreas específicas para almacenar
productos o equipajes sospechosos [3].
2.7.6 Maquinaria
Existen varias aplicaciones interesantes de las espumas metálicas en los que concierne a
maquinaria. Las piezas de maquinaria fabricadas de espuma o rellenas de espuma hacen
que disminuya la inercia y aumente el amortiguamiento. Tales componentes pueden
utilizarse en taladradoras, fresadoras, así como en maquinas de impresión. Las carcazas
(housings) de espumas para aparatos eléctricos añaden la ventaja de la protección
electromagnética. El cuerpo estructural de discos de rectificadoras también podría ser hecho
de espuma de aluminio, con el material abrasivo adherido a su periferia. El amortiguamiento
intrínseco del disco ayudaría en la atenuación de las vibraciones y una porosidad
parcialmente abierta serviría para almacenar el material arrancado. Las espumas de
aluminio también han sido utilizadas como soportes para espejos de los telescopios. Otras
aplicaciones requieren un material resistente, de relleno flotante y muy ligero, para
flotadores que midan niveles de llenado en altas temperaturas y medios corrosivos. Debido
al elevado coste de estos flotadores (hechos de lamina de titanio), podrían ser sustituidos
por piezas de espuma de aluminio con una capa densa exterior que sirviera de alojamiento
al sistema magnético [2].
2.7.7 Equipamiento 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 [2].
47
2.7.8 Aplicaciones Funcionales
Diversas técnicas han logrado la fabricación de metales porosos para un abanico bastante
amplio de aplicaciones. No es de sorprenderse encontrar aplicaciones funcionales muy
similares para las estructurales de las espumas de aluminio descritas anteriormente. Las
espumas de aluminio con cierto grado de porosidad abierta tienen aplicaciones funcionales,
las cuales pueden ser: filtración y separación, intercambiadores de calor y aparatos de
refrigeración, soportes para catalizadores, almacenamiento temporal de líquidos, control de
flujo de fluidos, silenciadores y control acústico, rociadores, electrodos de baterías,
supresores de flama, en aplicaciones electroquímicas, purificación de agua, arte y
decoración [2,3,6].
48
III METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
3.1 MATERIALES
La aleación de aluminio A356 se utilizó como la matriz de espuma metálica. Como parte de
un control interno, se llevo acabo un análisis químico de la aleación A356 para determinar su
composición elemental y corroborar que se trata de la aleación en cuestión; cabe señalar
que el porcentaje en peso de Si se determinó realizando un microanálisis elemental en dicha
aleación, donde se empleo la espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDS, por
sus siglas en inglés), usando microscopía electrónica de barrido, esto debido a la dificultad
para detectar el Si mediante análisis químico. En la Tabla 3.1 se muestra a modo de
comparación la composición nominal y la composición producto del análisis realizado. Por
otro lado, se emplearon gránulos de calcio metálico redestilado de Alfa Aesar, tamaño de
partícula: malla -16 (< 1.19 mm) y 99.5 % de pureza, como agente para incrementar la
viscosidad de la aleación. Como agente espumante se utilizaron polvos de hidruro de
titanio(II) de Sigma-Aldrich, tamaño de partícula: malla -325 (< 0.044 mm) y 98 % de pureza.
Tabla 3.1 Composición elemental nominal y la determinada mediante análisis químico,
de la aleación A356
Composición, Peso (%)
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Ti
Nominal [26]
6.50-7.50
0.20
0.20
0.10
0.25-0.45
0.10
0.20
Análisis químico
6.79
0.19
0.02
0.03
0.32
0.02
0.12
3.2 TRATAMIENTO TÉRMICO DEL AGENTE ESPUMANTE
Los polvos de TiH2 fueron sometidos a diversos tratamientos térmicos con el propósito de
generar una capa de óxido en la superficie del hidruro, la cual fungirá como barrera para
evitar la evolución prematura del gas (hidrógeno). Los tratamientos térmicos se llevaron a
cabo a 400, 450, 500 y 550 °C, en atmósfera libre, empleando una mufla Thermolyne 6000,
49
con duración de una hora. Para lograr una oxidación superficial lo más homogénea posible,
los polvos de TiH2 fueron esparcidos en una placa de alúmina de 160 x 170 cm,
precalentada a la temperatura del tratamiento correspondiente. Las temperaturas del
tratamiento térmico se censaron haciendo uso de un termopar tipo K.
3.3 PROCESO PARA OBTENER ESPUMA
El proceso se clasifica dentro de las rutas de obtención de espumas metálicas, como aquel
que utiliza agente espumante tratado térmicamente, encontrándose en el grupo de inyección
de gas en el metal fundido. El proceso de obtención de espuma, consiste de varias etapas,
las cuales se resumen en la Fig. 3.1 y se describen a continuación.
Figura 3.1. Proceso para obtener espuma de poro cerrado empleando agente espumante con
tratamiento térmico.
1. Incremento de viscosidad de la aleación.
En esta etapa, 550 a 600 g de la
aleación A356 se funden dentro de un crisol de grafito recubierto en toda su
superficie con nitruro de boro en un horno de fundición, a una temperatura entre
780 y 795 °C. Como agente para incrementar la viscosidad, el 1.2 % en Ca de la
masa de la aleación, se agrega al metal líquido cuando este esta siendo agitado
convencionalmente entre 900 y 1100 rpm usando una propela de grafito recubierta
con nitruro de boro. El calcio es agitado dentro del metal fundido durante un tiempo
mínimo de 10 minutos. La adición de calcio es necesaria para incrementar la
50
viscosidad del metal líquido y lograr estabilizar las burbujas formadas e impedir
que floten [27].
2. Adición de agente espumante. Antes de agregar el agente espumante (TiH2)
tratado térmicamente, se baja la temperatura del horno y se espera el tiempo
necesario para que el material fundido AlSi7Mg/Ca llegue a una temperatura entre
680 y 690 °C. Una vez que se ha alcanzado la temperatura adecuada, el agente
espumante se agrega y el metal fundido se agita entre 1000 y 1200 rpm. Durante
esta etapa, la agitación se realiza sin tapar el horno para que el metal fundido
disminuya su temperatura lenta y gradualmente. El tiempo de agitación depende
del agente espumante usado, el cual varia dependiendo del tratamiento aplicado al
TiH2. El tiempo de agitación para cada agente espumante se muestra en la
Tabla 3.2, así como el porcentaje de agente espumante empleado respecto a la
masa de la aleación. Durante esta etapa se presenta la descomposición del TiH2,
liberando hidrógeno, provocando la formación de burbujas en el metal fundido.
3. Espumado. Inmediatamente después de que se ha cumplido el tiempo de
agitación, se retira la propela, y se da un tiempo de espumado. El crisol de grafito
es retirado una vez que la espuma ha alcanzado su altura máxima y/o que los
poros comienzan a colapsar, lo cual se presenta dentro del tiempo de espumado
(ver Tabla 3.2).
4. Enfriamiento. En la etapa final, cuando el vaso de grafito que contiene la espuma
es retirado, se procede a solidificar la espuma mediante un enfriamiento con aire,
el cual es el medio idóneo para retener la estructura de la espuma formada durante
el proceso [13].
Tabla 3.2. Denominaciones y características de los agentes espumantes utilizados en
el proceso para obtener espuma.
Agente
Espumante
TiH2-TT400
Tratamiento
Térmico
400 °C / 1 h
Adición de agente
espumante (%)
1.10
Tiempo de
Agitación (s)
20
Tiempo de
Espumado (s)
40 - 50
TiH2-TT450
450 °C / 1 h
1.10
35
50 - 60
TiH2-TT500
500 °C / 1 h
1.27
50
60 - 80
TiH2-TT550
550 °C / 1 h
1.79
70
60 - 90
51
Las temperaturas del proceso se censaron usando un termopar tipo K. El horno de fundición
utilizado para llevar a cabo el proceso fue diseñado y construido en CIMAV Chihuahua
específicamente para tal efecto. El horno de fundición, el cual se muestra en la Fig. 3.2,
consta principalmente de una estructura de acero, tapa de fibra cerámica, control de
temperatura y una camisa de acero que tiene contenida una resistencia Watlow VC406J06T
de 120 V y 2000 W de tipo cilíndrico aislada con fibra cerámica. Además, se diseñó un vaso
de grafito cónico (5°, para facilitar el desmoldeo de la espuma), el cual también se visualiza
en la Fig. 3.2, teniendo como dimensiones interiores un diámetro inferior de 44 mm, y altura
de 177 mm.
Figura 3.2. Horno de fundición utilizado en el proceso de obtención de espuma. (a) Estructura de
acero, (b) camisa de acero, (c) tapa de fibra cerámica, (d) control de temperatura, (e) crisol de grafito.
3.4 CARACTERIZACIÓN DEL AGENTE ESPUMANTE
3.4.1 Difracción de Rayos X
Un difractómetro de rayos X Panalytical Xpert’PRO se utilizó para determinar las fases
presentes en los polvos de hidruro de titanio sin tratamiento térmico y con tratamiento
térmico de 400, 450, 500 y 550 °C. Los patrones de difracción se obtuvieron usando
radiación Cu K, intervalo de ángulos 2 de 15 a 90° y un paso de 0.0334°.
52
3.4.2 Análisis Térmicos
Los eventos térmicos y la liberación de hidrógeno (perdida de masa) de los polvos de TiH2
sin tratamiento y con tratamiento térmico, se caracterizaron haciendo uso del análisis
termogravimétrico (TGA, por sus siglas en inglés) y de la calorimetría diferencial de barrido
(DSC, por sus siglas en inglés), en un analizador térmico simultáneo (DSC-TGA) TA
Instruments SDT Q600, con el objetivo de visualizar la temperatura donde inicia y termina la
descomposición de los polvos tratados térmicamente, así como saber el porcentaje de
hidrogeno que se pierde durante los diferentes tratamientos térmicos.
En los análisis térmicos se utilizó una atmósfera inerte con un flujo de argón de
200 mL min-1, rango de temperatura de 25 - 900 °C y una velocidad de calentamiento de
10 °C min-1. Para todos los casos, se emplearon aproximadamente 20 mg de polvos de TiH2
en un crisol de alúmina.
3.5 CARACTERIZACIÓN DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
3.5.1 Ensayo de Compresión
Las muestras de espuma de Al-Si de sección transversal cuadrada se ensayaron en una
máquina universal para ensayos mecánicos electromecánica Instron de 5 Ton, a una
velocidad de cabezal de 1 mm min-1 y bajo una temperatura de 28 °C.
Las espumas se cortaron usando disco abrasivo de alúmina y posteriormente desbastadas
con lija de carburo de silicio número 500, para finalmente tener muestras con una sección
transversal cuadrada de 23 mm de lado y 41 mm de longitud.
La dirección de aplicación de la carga fue perpendicular a la sección transversal, y para
reducir la fricción entre las mordazas y las caras de las muestras, se utilizó cinta de teflón.
En su totalidad se ensayaron 12 muestras, tres por cada grupo de espumas producidas con
cada agente espumante.
3.5.2 Ensayo de Conductividad Térmica
Las espumas se cortaron usando disco abrasivo de alúmina y posteriormente desbastadas
con lija de carburo de silicio número 500, 800 y 1200, para obtener inicialmente muestras
53
de 42 mm de lado y 23 de espesor, a las cuales se le redondearon las esquinas para
obtener muestras finales semicilíndricas de diámetro de 51 mm y espesor de 23 mm.
Se emplearon cuatro muestras para medir su conductividad térmica, una por cada agente
espumante. Las mediciones de conductividad térmica de las muestras, en función de una
temperatura de alrededor de 43 °C, se obtuvieron haciendo uso de un instrumento para
conductividad térmica Unitherm modelo 2022 bajo una atmósfera libre.
3.5.3 Microscopía Electrónica de Barrido
Se realizó microanálisis elemental en las paredes de las espumas empleando la
espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDS, por sus siglas en inglés), usando
un microscopio electrónico de barrido JSM 5800-LV. Se utilizo un voltaje de aceleración de
15 KV. Se analizaron dos zonas de una espuma producida con cada agente espumante.
Las
muestras
analizadas
se
prepararon
mediante
la
preparación
metalográfica
convencional; cada sección de espuma fue montada en Lucita y posteriormente trabajada
hasta un acabado espejo. Previo al análisis, las muestras se recubrieron con una fina capa
de oro.
3.5.4 Análisis de Imagen
Las espumas se seccionaron empleando un disco abrasivo de alúmina para después darle
un acabado a las superficies con lija de carburo de silicio número 500, 800 y 1200.
Fotografías de las superficies de interés fueron tomadas con cámara digital y posteriormente
analizadas en el programa Image-Pro.
Los planos utilizados para medir el tamaño de poros y su distribución, así como el espesor
de pared de las espumas metálicas, fueron perpendiculares a la dirección del crecimiento de
la espuma. Para definir el tamaño de poros y su distribución se realizaron un mínimo de 650
mediciones de área de poros y posteriormente se calculó el diámetro correspondiente al
área, y para el espesor de pared, un promedio de 30 mediciones como mínimo.
54
IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 AGENTE ESPUMANTE
En la Fig. 4.1 se puede apreciar la apariencia que adquiere el agente espumante cuando se
expone a diferentes temperaturas.
Una coloración en los polvos de TiH2 se presenta cuando se aplica el tratamiento térmico
con duración de una hora en atmósfera libre a diferentes temperaturas. Los polvos, que
inicialmente son de color gris, toman un color púrpura a 400 °C, azul a 450 °C, un azul
marino a 500 °C y un color verde oliva a una temperatura de 550 °C.
Figura 4.1. Hidruro de titanio con tratamiento térmico de (a) 400 °C, (b) 450 °C, (c) 500 °C y
(d) 550 °C.
55
4.1.1 Análisis de Fases
Los patrones de difracción de rayos X para los polvos de TiH2 tratados térmicamente a 400,
450, 500 y 550 °C, se muestran en la Fig. 4.2, y se comparan con los polvos sin tratamiento
térmico.


(e)

x
xox
o
x o
o

xo

xx
ox




(d)
o
x ox
x


x o o
xo
ox

xx

(c)
o
o
*
*

o
*
o
*
*


*
(b)
*
*
o
o
*
*
*
**

(a)
20
30
40
50
60
70
80
90
2Teta (°)
Figura 4.2. Patrones de difracción de rayos X de los polvos de TiH2 (a) sin tratamiento térmico,
(b) con tratamiento térmico de 400, (c) 450, (d) 500 y (e) 550 °C; ()TiH2, (*)TiH1.924, (o) TiO2, (x) Ti3O.
56
Los picos no marcados de la Fig. 4.2a corresponden al compuesto TiH2. Las Fig. 4.2b y
4.2c, muestran que en los polvos tratados térmicamente a 400 y 450 °C, se tiene la
presencia del compuesto no estequiométrico TiH1.924 y del compuesto TiH2. En los polvos
con tratamiento térmico de 400 °C se comienzan a detectar picos correspondientes al TiO2
(rutilo), mientras que en los polvos tratados térmicamente a 450 °C se tiene la presencia de
más picos que corresponden al TiO2. En los polvos con tratamiento térmico de 500 y 550 °C,
se identificó el compuesto TiH2 (Fig. 4.2d y 4.2e), y se detectó, además del TiO2, la fase
Ti3O. Los picos correspondientes al TiO2 y Ti3O son de mayor intensidad y se encuentran
más definidos en los polvos con tratamiento térmico de 550 °C respecto a los polvos
tratados a 500 °C. En general, se esta presentando un incremento en la formación de los
productos de oxidación TiO2 y Ti3O, conforme se incrementa la temperatura de tratamiento
térmico en los polvos de TiH2.
Relacionando la coloración y las fases que se presentan en los polvos de TiH2 cuando son
sometidos a diferentes tratamientos térmicos, se puede decir que el cambio de color de los
polvos indica de manera clara que se forman capas de óxido superficial, y que conforme
aumenta la temperatura del tratamiento térmico, el nivel de oxidación es cada vez mayor.
Además, dependiendo de la temperatura a la cual se lleva acabo el tratamiento térmico, se
producen diferentes tipos de óxidos en la superficie y muy probablemente con diferentes
espesores. La coloración de los polvos de TiH2 tratados térmicamente y su relación con las
capas de óxido de los mismos, ha sido analizado por A.R. Kennedy y V.H. Lopez [7].
4.1.2 Análisis Térmicos
En la Fig. 4.3 se muestran las gráficas de DSC y TGA de los polvos de hidruro de titanio sin
tratamiento y con tratamiento térmico. En la Tabla 4.1 se presentan las temperaturas de los
eventos térmicos y las perdidas de masa del TiH2 sin tratamiento y con tratamiento térmico.
57
2
Fujo de Calor (W/g)
1
0
AR
TT400
TT450
TT500
TT550
-1
-2
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
700
750
800
850
Temperatura (°C)
100
Peso (%)
99
98
AR
TT400
TT450
TT500
TT550
97
96
300
350
400
450
500
550
600
650
Temperatura (°C)
Figura 4.3. Curva de DSC (arriba) y TGA (abajo) para el TiH2 sin tratamiento térmico (AR), con
tratamiento térmico de una hora a 400 °C (TT400), a 450 °C (TT450), a 500 °C (TT500) y
-1
a 550°C (TT550); usando una velocidad de calentamiento de 10 °C min en argón.
58
Tabla 4.1. Datos de las gráficas de DSC y TGA sobre los eventos endotérmicos y la
liberación de hidrógeno de los polvos de TiH2 no tratados y tratados térmicamente.
TiH2
DSC
TGA
Pérdida
de
masa
relativo
a AR
(%)
1ª
Endoterma
(°C)
2ª
Endoterma
(°C)
Mínimo
(°C)
Inicio
(°C)
Final
(°C)
Intervalo
(°C)
Pérdida
de
masa
(%)
AR
484
490
540
474
655
181
3.41
100
TT400
477
501
536
476
637
161
3.07
90.0
TT450
498
519
547
496
645
149
3.07
90.0
TT500
-
571
599
540
667
127
2.49
73.0
TT550
-
609
663
591
722
131
0.70
20.5
En las gráficas de la Fig. 4.3 se puede apreciar que aplicar un tratamiento térmico al TiH2
produce un cambio en las curvas de DSC y TGA.
Las curvas de DSC del TiH2 sin tratamiento térmico y con tratamiento térmico a 400 y 450 °C
presentan dos eventos endotérmicos superpuestos, mientras que el TiH2 con tratamiento de
500 y 550 °C, solo presentan un endoterma, lo cual puede ser atribuido a la naturaleza
química de la capa de óxido superficial y al espesor de la misma, es decir, es probable que
la capa de óxido sea mas resistente y de mayor espesor para los polvos TT500 y TT550, en
comparación con los polvos AR, TT400 y TT450.
El incrementar la temperatura de tratamiento térmico resulta en un incremento progresivo en
las temperaturas de inicio de las endotermas y la temperatura donde las mismas tienen su
valor mínimo en las curvas de DSC, con excepción del TiH2 tratado térmicamente a 400°C,
el cual presenta una disminución, respecto al TiH2 sin tratamiento térmico, en la temperatura
de inicio de la primer endoterma y en la temperatura donde la endoterma tiene su valor
mínimo.
En las curvas de TGA, conforme se aumenta la temperatura del tratamiento térmico, existe
un incremento progresivo en las temperaturas donde inicia y termina la liberación del
hidrógeno, teniendo también una excepción en los polvos de hidruro tratados a 400 °C, los
cuales respecto al hidruro sin tratamiento, presentan una disminución en la temperatura
donde termina la liberación del hidrogeno. El intervalo de temperatura donde se presenta la
59
liberación del hidrógeno se reduce en forma progresiva conforme se aumenta la temperatura
del tratamiento térmico, sin embargo, en el tratamiento térmico de 550 °C se presenta un
ligero incremento en el intervalo de temperatura, respecto al tratamiento de 500 °C. El
agente espumante de tratamiento térmico a 500 °C es el que presenta el menor intervalo de
temperatura. En cuanto a la pérdida de masa, se presenta una disminución progresiva
conforme la temperatura de tratamiento térmico se incrementa, con excepción del
tratamiento térmico de 450 °C, el cual presenta la misma perdida de hidrógeno que el de
400 °C, respecto al TiH2 sin tratamiento térmico.
La temperatura a la cual el hidrógeno comienza a ser liberado es siempre mayor a la
temperatura del tratamiento térmico al que fue sometido el hidruro. La temperatura en la cual
la cantidad de gas liberado es máxima en un momento dado, se puede relacionar con la
temperatura donde el valor de las endotermas de los DSC son mínimos.
Aplicar tratamientos térmicos al TiH2 para generar una oxidación superficial provoca un
cambio en las temperaturas donde inicia la evolución del hidrógeno, lo cual indica que se
retarda la descomposición de los polvos después de ser tratados térmicamente.
A.R. Kennedy y V.H. Lopez [7], reportaron que se retarda la descomposicion del hidruro
cuando se le realiza un tratamiento térmico previo, debido a la presencia de una capa de
óxido.
La mayor perdida de masa se presenta en los polvos de TiH2 sin tratamiento térmico, con un
3.41 %, la cual se aproxima pero no llega a ser igual a la máxima perdida de masa teórica
de un 4.01 %, lo cual puede atribuirse a que parte de las partículas de TiH2 no estan
llegando a su temperatura de descomposición o que se están descomponiendo
parcialmente, por otro lado, la pureza del TiH2 puede ser también un factor.
Conforme se incrementa la temperatura del tratamiento térmico la cantidad de gas liberado
disminuye, lo cual indica que se esta liberando y por lo tanto perdiendo, cierta cantidad de
gas durante los tratamientos térmicos a los polvos de TiH2. Lo anterior significa que se debe
de incrementar la cantidad de hidruro tratado térmicamente para compensar la perdida de
gas durante los diferentes tratamientos. Apoyandose de los datos mostrados de la Tabla 4.1,
se debe de compensar con un 10 % de agente espumante cuando se realiza un tratamiento
térmico a 400 y 450 °C, una compensación del 27 % de agente espumante para el
tratamiento de 500 °C y compensar con un 79.5 % para el de 550 °C. Dichas
compensaciones fueron consideradas para determinar la cantidad de agente espumante
60
usado en el proceso para obtener espuma, lo cual se presenta en la Tabla 3.2 de la
Sección 3.3.
El intervalo de temperatura donde se presenta la liberación del hidrógeno puede afectar la
estructura de poros de la espuma. Una disminución en el intervalo de temperatura significa
que la liberación de gas en su totalidad se presenta en un lapso de tiempo más corto.
Reducir el intervalo de temperatura promueve a que la formación de poros se aproxime a
realizarse de manera simultánea, lo cual repercute en tener una estructura de poros más
uniforme.
De manera ideal, la temperatura de descomposición del agente espumante debe ser mayor
que la temperatura de liquidus de la aleación empleada, para que se pueda realizar el
mezclado del agente espumante y distribuirlo en el metal fundido sin que el gas sea
liberado. Debido a los datos analizados en esta sección, el agente espumante que producirá
una estructura de poros más uniforme es el agente espumante tratado a 500 °C, el cual
presenta el menor intervalo de temperatura, retarda su temperatura de descomposición
hasta 540 °C y solo pierde un 27 % de hidrógeno durante el tratamiento térmico. El agente
espumante que proporcionará mas tiempo de agitación es el tratado a 550 °C, debido a que
retarda su temperatura de descomposición hasta 591 °C, que es la temperatura que mas se
aproxima a la temperatura de liquidus de 615 °C [26] de la aleación A356, sin embargo, no
posee el intervalo de temperatura mas corto y pierde 79.5 % de gas durante el tratamiento
térmico.
4.2 ESTRUCTURA CELULAR DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
Un ejemplo de las fotos digitales empleadas en el análisis de imagen, correspondiente a la
estructura celular de espumas producidas usando los diversos agentes espumantes, se
muestran en la Fig. 4.4. Poros con un área menor o igual a 0.0491 mm2 no fueron
considerados en el análisis, debido a que pudieron ser generados por microrechupes
durante la solidificación.
61
Figura 4.4. Estructura celular de espuma de aluminio usando el agente espumante (a) TiH2-TT400,
(b) TiH2-TT450, (c) TiH2-TT500 y (d) TiH2-550.
En la Fig. 4.5 se visualizan los gráficos del número de poros y su distribucion de tamaño, y
en la Fig. 4.6, los gráficos de área y distribución de tamaño de poros, de las espumas
producidas usando agente espumante con tratamiento térmico de 400, 450, 500 y 550 °C.
62
Figura 4.5. Número de poros y distribución de tamaño de poro, de las espumas producidas usando
agente espumante (a) TiH2-TT400, (b) TiH2-TT450, (c) TiH2-TT500 y (d) TiH2-550.
63
Figura 4.6. Área de poros y distribución de tamaño de poro, de las espumas producidas usando
agente espumante (a) TiH2-TT400, (b) TiH2-TT450, (c) TiH2-TT500 y (d) TiH2-550.
64
En todos los gráficos de la Fig. 4.5 los poros con 1 mm de diámetro se presentan en mayor
número. Se puede observar en el gráfico de la Fig. 4.5a que existen poros con diámetros de
hasta 13 mm, y los poros que aparecen en menor cantidad son los que cuentan con
diámetros de 10, 12 y 13 mm. En la Fig. 4.5b se muestra que se presentan poros con
diámetros hasta 10 mm y los poros con diámetros de 8, 9 y 10 mm son los que aparecen en
menor número. Respecto a la Fig. 4.5c, se visualiza que solo existen poros con diametros
hasta 7 mm, y los poros de menor cantidad son los de 7 mm. Se puede visualizar en la Fig.
4.5d, que se presentan poros de hasta 11 mm; en este caso no se tuvieron poros de 9 mm,
y los poros con menor presencia númerica, los de 8, 10 y 11 mm de diámetro.
En el gráfico de la Fig. 4.6a se muestra que los poros con diámetros de 5, 6 y 7 mm son los
que presentan mayor área, siendo los poros con diámetro de 12, 13 y menor o igual de 0.5
mm, los que presentan menor presencia de área. En la Fig. 4.6b se muestra que los poros
con diámetros de 3, 4 y 5 mm son los que tienen mayor cantidad de área, y poros con
diametros de 9, 10 y menor o igual de 0.5 mm, son los que aparecen en menor cantidad. En
la Fig. 4.6c, poros con diámetro de 2, 3 y 4 mm, son los que se presentan en mayor área, y
los poros de menor cantidad de área, son los de 7 y menor o igual de 0.5 mm. Respecto al
gráfico de la Fig. 4.6d, los poros con mayor presencia de área son los de 3, 4 y 5 mm, y los
poros con menor presencia, los de 10, 11 y menor o igual de 0.5 mm de diámetro.
A modo de comparacion, en la Fig. 4.7 se muestra el número de poros y área, de las
distribuciones de tamaño de poro, de las espumas preparadas con diferente agente
espumante.
En la Fig. 4.7, se visualiza que en forma general los poros con diámetros de 10 a 13 mm se
presentan en menor número, para los cuatro tipos de espuma. El mayor número de poros de
1 y 2 mm de diámetro lo presentan las espumas preparadas usando agente espumante con
tratamiento térmico de 500°C. En los cuatro tipos de espuma, los poros que aportan menos
área, son los poros de 10, 12, 13 y menor o igual de 0.5 mm. Poros de 5 y 6 mm,
correspondientes a las espumas preparadas usando agente espumante con tratamiento
termico de 400°C, son los que tienen la mayor aportación de área.
El número de poros y el área, de las distribuciones de tamaño de poros de las espumas, son
dos parámetros que presentan información útil y diferente. Aunque es notorio que los poros
de 1 y 2 mm son los que se presentan en mayor cantidad para los espumas con TiH2-500,
la mayor presencia en área la tienen los poros de 5 y 6 mm de las espumas con TiH2-400.
65
Figura 4.7. Comparación del número de poros (arriba) y área de poros (abajo), de las distribuciones
de tamaño de poro, de las espumas preparadas con diferente agente espumante.
66
Como ya se mencionó anteriormente, el número de poros y el área proporcionan
información útil y diferente, sin embargo, el factor más importante es la distribución del
tamaño de poro, la cual repercute en la estructura celular de la espuma. La distribución de
poros más amplia se presenta en las espumas con TiH2-400 y la más reducida en las
espumas con TiH2-500. Una distribución del tamaño de poro reducida implica obtener una
estructura celular más homogénea; debido a esto las espumas con TiH2-500 presentan la
estructura celular más homogénea, corroborando los resultados que se discutieron en la
Sección 4.1, donde se plantea que el TiH2 con tratamiento térmico a 500 °C producirá
espumas con la estrucura celular más homogénea. Para obtener una estructura de poros
más homogénea es necesario primero analizar la aportación de área de cada tamaño de
poro, y posteriormente, controlar la cantidad o el número de poros de cada tamaño de poro.
En la Tabla 4.2 se resumen datos importantes de la estructura celular de las espumas
producidas con diferentes agentes espumantes. Dicha tabla muestra el diámetro de poro
promedio, área promedio por poro y el espesor de pared.
Tabla 4.2. Parámetros de las espumas de aluminio obtenidas empleando diferentes
agentes espumantes.
Agente
Espumante
Diámetro de
Poro Promedio
(mm)
Área Promedio
por Poro
(mm2)
Espesor
de Pared
(mm)
TiH2-TT400
TiH2-TT450
TiH2-TT500
TiH2-TT550
3.1
2.5
2.0
2.4
11.8
7.2
4.1
6.7
0.238
0.231
0.106
0.115
Se puede observar en la Tabla 4.2 que se presenta una consistencia en el valor mayor y
menor de los parámetros, es decir, las espumas obtenidas con TiH2-TT400 son las que
tienen los mayores valores de los parámetros, y las espumas producidas con TiH2-TT500,
las que tienen los menores valores.
Se puede decir que conforme se aumenta la temperatura del tratamiento térmico del agente
espumante, en las espumas obtenidas se va disminuyendo gradualmente su diámetro, área
y espesor de pared poros, sin embargo, las espumas producidas usando el agente
67
espumante con tratamiento térmico de 550 °C no cumplen con esta cuestión, siendo estas
últimas las que presentan un incremento respecto a las espumas con TiH2-500.
La disminución del diámetro, área y espesor de pared de poros, en las espumas con
TiH2-TT450 y TiH2-TT500 respecto a las de TiH2-TT400, se puede atribuir a la pérdida de
masa, es decir, a la liberación del hidrógeno. Basándose en los datos de pérdida de masa
mostrados en la Tabla 4.1, se puede notar que cuando se aumenta la temperatura de
tratamiento térmico del agente espumante, este presenta una disminución en la cantidad de
hidrógeno liberado, produciendo poros con tamaños cada vez más pequeños. Sin embargo,
a pesar de que la perdida de gas es la misma para el TiH2-400 y el TiH2-450, la disminución
en el tamaño de los poros de las espumas con TiH2-450 se puede atribuir a que el TiH2-450
libera el hidrogeno con menos intensidad.
Es probable que las espumas producidas con TiH2-550 presenten un incremento en los
valores del tamaño de poro debido a la compensación de agente espumante utilizado. De
acuerdo a la Tabla 3.2 de la Sección 3.3, el TiH2-550 es el agente espumante que más
compensación utiliza con un 79.5 % respecto al TiH2-AR. Debido a que el TiH2-550 es el
agente espumante de mayor cantidad agregado al metal fundido, se promueve la
aglomeración del mismo en grupos de tamaños diversos.
4.3 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
En la Tabla 4.3 se muestran datos, como lo son la densidad, temperatura a la que se llevó a
cabo la medición de la conductividad térmica y los valores de conductividad térmica de las
muestras seleccionadas. La Fig. 4.8 muestra la conductividad térmica de las espumas en
función de su densidad.
Tabla 4.3. Densidad, conductividad térmica y temperatura a la cual se realizaron las
mediciones.
Muestra
400741
450701
500521
550721
Agente
Espumante
Empleado
TiH2-TT400
TiH2-TT450
TiH2-TT500
TiH2-TT450
Temperatura
(°C)
43.6
44.5
42.6
41.1
Densidad de la
Espuma, ρ*
(g cm-3)
0.30
0.51
0.48
0.29
Conductividad
Térmica, λ
(W m-1 K-1)
3.08
5.60
4.42
3.10
68
Figura 4.8. Conductividad térmica de espumas de diferentes densidades a una temperatura de
alrededor de 43 °C.
Como se muestra en la Tabla 4.3, las muestras 400741 y 550721, con valores de densidad
similares de 0.30 y 0.29 g cm-3, también presentaron valores de conductividad térmica
similares de 3.08 y 3.10 W m-1 K-1. Por otro lado, en las muestras 450701 y 500521, con
densidades de 0.51 y 0.48 g cm-3, existe una diferencia poco significativa en el valor de las
mismas, sin embargo, la conductividad térmica de las muestras presenta una diferencia
significativa, presentando valores de 5.60 y 4.42 W m-1 K-1.
Basándose exclusivamente en las densidades de las muestras seleccionadas y visualizando
la Fig. 4.8, las dos muestras con las densidades mas bajas (400741 y 550721) presentan los
valores de conductividad térmica más bajos, y de manera similar, las dos muestras con
densidades más altas (450701 y 500521) tienen valores de conductividad térmica más altos.
En forma general, conforme se incrementa la densidad de las muestras, la conductividad
térmica también se incrementa. También, se puede decir que la conductividad térmica
prácticamente no es sensible a las densidades bajas y similares, y que tratándose de
densidades más altas, la conductividad térmica presenta una sensibilidad significativa a la
densidad. Lo anterior se relaciona directamente con las paredes de los poros de las
espumas, ya que conforme aumenta el espesor de las paredes, la densidad también
69
aumenta, repercutiendo directamente en un incremento de los valores de conductividad
térmica.
En la Tabla 4.4 es mostrada la reducción en el valor de conductividad térmica que presenta
la aleación A356 como espuma respecto a esta misma aleación en su forma sólida, así
como la densidad y conductividad térmica de la aleación sólida y la aleación como espuma.
Tabla 4.4. Reducción de conductividad térmica de las espumas respecto a la aleación
sólida.
Aleación A356
ρ* (g cm-3)
λ (W m-1 K-1)
Reducción (%)
Sólida [26]
2.685
151.00
0.0
Espuma 400741
0.30
3.08
98.0
Espuma 450701
0.51
5.60
96.3
Espuma 500521
0.48
4.42
97.1
Espuma 550721
0.29
3.10
97.9
Respecto a los datos mostrados en la Tabla 4.4, la reducción de conductividad térmica más
alta la presenta la espuma 400741 con un 98 % y la mas baja la espuma 450701 con
96.3 %. La conductividad térmica de la aleación A356 se reduce de manera considerable en
forma de espuma, lo cual se debe a que el material esta compuesto de poros y paredes
delgadas que los separan.
La Tabla 4.5 muestra los valores de conductividad térmica de las espumas producidas por
algunos procesos registrados (Alporas y FOAMINAL) y espumas comerciales (Cymat
SmartMetal), así como las espumas que han sido objeto de análisis de la presente tesis y a
las cuales se les identificará como Espumas A356. En la Tabla 4.5 también se puede
observar el material de las espumas, como se clasifican, temperatura a la cual fue medida la
conductividad térmica y densidad.
70
Tabla 4.5. Datos de conductividad térmica de las espumas A356, de los procesos
registrados Alporas [28] y FOAMINAL [5], y de las espumas bajo la marca registrada
Cymat SmartMetal [29].
Tipo
Material Denominación
Espuma A356
A356
®
Al
Alporas
6061
®
AlSi7
FOAMINAL
AlSi12
®
Cymat SmartMetal
A356
400741
550721
500521
450701
Al1
Al2
Al3
6061
AlSi7a
AlSi7b
AlSi12
A356SiC020
A356SiC030
A356SiC040
Temperatura
(°C)
43
30
RT
50
RT
-
Densidad
(g cm-3)
0.30
0.29
0.48
0.51
0.177
0.244
0.462
0.60
0.55
0.63
0.60
0.20
0.30
0.40
Conductividad
Térmica
(W m-1 K-1)
3.08
3.10
4.42
5.60
5.88
9.07
17.77
18.40
6.10
7.80
16.70
1.48
3.46
4.68
Se debe mencionar que las temperaturas, que aparecen en la Tabla 4.5, en las cuales fue
medida la conductividad térmica, son diferentes, y que para las espumas Cymat
®
SmartMetal
no es especificada por CYMAT, sin embargo, las diferencias entre
temperaturas no son tan amplias y se pueden considerar los valores de conductividad
térmica para fines de comparación. Las densidades de todas las espumas se encuentran
entre 0.177 y 0.63 g cm-3, y las conductividades térmicas entre 1.48 y 18.4 W m-1 K-1.
La comparación de conductividades térmicas de las 14 espumas, que se muestran en la
Tabla 4.5, se puede visualizar en la Fig. 4.9.
Las espumas 6061 y AlSi12 del proceso FOAMINAL®, y la espuma Al3 del proceso
Alporas®, son las que presentan los valores de conductividad térmica más altos con 18.40,
16.7 y 17.1 W m-1 K-1 respectivamente. Los valores de conductividad térmica más bajos
corresponden a la espuma A356SiC020 Cymat SmartMetal® y a las Espumas A356 400741
y 550721, los cuales son 1.48, 3.08 y 3.10 W m-1 K-1 respectivamente.
71
Figura 4.9. Comparación de valores de conductividad térmica de espumas A356, de procesos
registrados Alporas y FOAMINAL, y de espumas de marca registrada Cymat SmartMetal.
En la Tabla 4.6, se presentan en forma ascendente los valores de conductividad térmica,
para observar las siete espumas que tienen las conductividades térmicas más bajas.
Tabla 4.6. Espumas con los menores valores de conductividad térmica.
Cymat SmartMetal
A356
A356SiC020
-
0.20
Conductividad
Térmica
(W m-1 K-1)
1.48
Espuma A356
A356
400741
43
0.30
3.08
A356
550721
43
0.29
3.10
A356
A356SiC030
-
0.30
3.46
A356
500521
43
0.48
4.42
A356
A356SiC040
-
0.40
4.68
A356
450701
43
0.51
5.60
Tipo
Material Denominación
®
Espuma A356
Cymat SmartMetal
®
Espuma A356
Cymat SmartMetal
Espuma A356
®
Temperatura
(°C)
Densidad
(g cm-3)
72
De acuerdo con lo mostrado en la Tabla 4.6, todas las espumas Cymat SmartMetal® y
Espumas A356, son las que presentan las conductividades térmicas más bajas. Además, se
puede apreciar que el material del que están hechas las espumas es la aleación A356.
Por otro lado, el valor de conductividad térmica más bajo no corresponde a la espuma de
menor densidad, y de manera análoga, la conductividad más alta no corresponde a la
espuma de mayor densidad. La espuma Al1 del proceso Alporas® es la de menor densidad
con 0.177 g cm-3 y no se encuentra entre las espumas de mas baja conductividad térmica.
La espuma AlSi7b del proceso FOAMINAL® tiene la mayor densidad con 0.63 g cm-3 y se
esperaría que presentara la mayor conductividad térmica, sin embargo, la conductividad
térmica mas alta la presenta la espuma 6061, también del proceso FOAMINAL®.
En forma general se puede decir que sigue existiendo una relación entre la densidad y la
conductividad térmica, y que el material del que están hechas las espumas también influye,
ya que la aleación A356 en forma de espuma es la que tiene las conductividades térmicas
más bajas. Caso contrario son el aluminio puro (espuma Al3 del proceso Alporas®) y la
aleación 6061 (espuma 6061 del proceso FOAMINAL®) que parecen ser materiales que
aunque, estén en forma de espuma y estas no sean las de mayor densidad, tienen las mas
altas conductividades térmicas de las espumas analizadas.
4.4 COMPORTAMIENTO A LA COMPRESIÓN DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
Una vista de la forma de los ensayos de compresión de las espumas A356 se puede ver en
la Fig. 4.10. Durante la deformación plástica se presentó un deslizamiento a 45°
(Fig. 4.10, derecha) y una compactación de la espuma en la parte final de la prueba. Dicho
comportamiento lo presentaron todas las muestras ensayadas.
En la Fig. 4.11 se pueden observar las 12 muestras ensayadas, 3 por cada tipo de agente
espumante. Las dimensiones de las muestras fueron de 23 mm de lado en la sección
transversal cuadrada y 41 mm de longitud. Los ensayos se realizaron con una velocidad de
deformación de 4.1 x 10-4 s-1.
73
Figura 4.10. Montaje de una espuma A356 antes de comenzar el ensayo de compresión (izquierda).
Espuma deformada plásticamente durante el ensayo (derecha).
Figura 4.11. Espumas empleadas en el ensayo de compresión.
74
Las densidades y densidades relativas de las espumas metálicas son representadas en la
Tabla 4.7. La densidad de la aleación A356 sólida, se representa como ρS, la cual tiene un
valor de 2.685 g cm-3 [26].
Tabla 4.7. Densidades y densidades relativas de las espumas metálicas.
Muestra
Agente Espumante
Empleado
400741-C
400742-C
400761-C
450701-C
450691-C
450611-C
500511-C
500531-C
500571-C
550721-C
550621-C
550711-C
Densidad de la
espuma, ρ*
(g cm-3)
Densidad
Relativa
ρ* / ρS
0.297
0.413
0.463
0.448
0.576
0.552
0.363
0.353
0.336
0.245
0.540
0.567
0.111
0.154
0.173
0.167
0.215
0.206
0.135
0.132
0.125
0.091
0.201
0.211
TiH2-TT400
TiH2-TT450
TiH2-TT500
TiH2-TT550
Las curvas esfuerzo-deformación de las muestras sujetas a ensayos de compresión se
muestran en las Fig. 4.12, 4.13, 4.14 y 4.15. En dichas gráficas se puede visualizar la
denominación y la densidad de las muestras.
16
14
400741-C (0.297 gcc)
400742-C (0.413 gcc)
400761-C (0.463 gcc)
S (MPa)
12
10
8
6
4
2
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
e
Figura 4.12. Curvas esfuerzo-deformación de compresión de las Espumas A356 producidas con
agente espumante con tratamiento térmico de 400 °C.
75
16
450701-C (0.448 gcc)
450691-C (0.576 gcc)
450611-C (0.552 gcc)
14
S (MPa)
12
10
8
6
4
2
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
e
16
500511-C (0.363 gcc)
500531-C (0.353 gcc)
500571-C (0.336 gcc)
14
S (MPa)
12
10
8
6
4
2
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
e
76
16
550721-C (0.245 gcc)
550621-C (0.540 gcc)
550711-C (0.567 gcc)
14
S (MPa)
12
10
8
6
4
2
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
e
0.5
0.6
0.7
0.8
Las muestras ensayadas tienen un comportamiento similar al de la curva de la Fig. 4.16. La
resistencia a la compresión σC de las muestras se consideró como aquel punto donde inicia
la región de meseta, y la deformación de densificación eD, se considera como la deformación
donde comienza la región de densificación. La energía absorbida ED por la espuma metálica,
es el área bajo la curva considerada hasta la deformación de densificación eD.
En la región elástica, se puede considerar que se presenta un comportamiento lineal, donde
el esfuerzo de compresión se incrementa gradualmente con la deformación. La región de
meseta de las muestras es una región de deformación plástica que se extiende hasta
presentar más del 50 % de deformación, como se puede apreciar en las Fig. 4.12, 4.13, 4.14
y 4.15. En la región de meseta las curvas presentan ascensos y descensos, es decir, los
esfuerzos se mantienen relativamente constantes conforme aumenta la deformación. La
deformación eD en algunos casos es difícil de identificar, como es el caso de las muestras
550721-C y 550711-C de la Fig. 4.15.
Cuando el esfuerzo de colapso plástico (resistencia a la compresión) se alcanza, la fuerza
externa aplicada por el equipo se transmite a las paredes de los poros que conforman la
espuma, provocando un colapso gradual de poros. Los descensos en la región de meseta
se pueden atribuir al colapso de grupos de poros, y los ascensos se pueden atribuir a la
resistencia que momentáneamente presentan los grupos de poros que a la postre
77
colapsarán. El comportamiento anterior continúa hasta que la muestra se comprime, dando
inicio a la región de densificación, donde un considerable incremento en el esfuerzo de
compresión se presenta hasta lograr la compactación completa, lo que provoca un
comportamiento de la curva similar al que presentaría una muestra sólida.
Figura 4.16. Regiones de deformación de una espuma metálica mientras es sometida a carga de
compresión: (1) región elástica, (2) región de meseta (plateau region) y (3) región de densificación.
σC: Resistencia a la compresión, eD: deformación de densificación, ED: energía absorbida.
4.4.1 Resistencia a la Compresión
Los valores de resistencia a la compresión, así como de densidad y densidad relativa, de las
espumas A356, se muestran en la Tabla 4.8. En dicha tabla también se muestra el promedio
de los valores para cada tipo de espumas.
Se puede apreciar en la Tabla 4.8 que las espumas metálicas presentaron una resistencia a
la compresión entre 0.7 y 9.1 MPa. En la Fig. 4.17 se muestra una gráfica de puntos de los
valores resistencia a la compresión en función de la densidad relativa, así como la tendencia
de los puntos.
78
Tabla 4.8. Resistencia a la compresión de las espumas metálicas ensayadas.
Muestra
400741-C
400742-C
400761-C
Promedio
450701-C
450691-C
450611-C
Promedio
500511-C
500531-C
500571-C
Promedio
550721-C
550621-C
550711-C
Promedio
Agente Espumante
Empleado
TiH2-TT400
TiH2-TT450
TiH2-TT500
TiH2-TT550
-
ρ* (g cm-3)
ρ* / ρS
σC (MPa)
0.297
0.413
0.463
0.391
0.448
0.576
0.552
0.525
0.363
0.353
0.336
0.351
0.245
0.540
0.567
0.451
0.111
0.154
0.173
0.146
0.167
0.215
0.206
0.196
0.135
0.132
0.125
0.131
0.091
0.201
0.211
0.168
1.0
6.4
4.6
4.0
6.7
7.6
9.1
7.8
3.0
3.1
1.9
2.7
0.7
7.5
5.5
4.6
Figura 4.17. Densidad relativa vs resistencia a la compresión de las espumas A356.
79
La línea de tendencia que más se ajusta a los puntos de la Fig. 4.17 es la de tipo potencial.
Lo anterior indica, que conforme la densidad relativa se incrementa, la resistencia a la
compresión se incrementa de forma potencial.
Cuando las espumas metálicas son sujetas a carga de compresión, el esfuerzo de meseta
se relaciona con la densidad, siguiendo la ecuación
(
)
( ) ,
(Ec. 4.1)
donde σpl es el esfuerzo de meseta (plateau stress), σy,s es la resistencia del material sólido,
ρ es la densidad de la espuma metálica, ρS la densidad del material sólido, y m tiene valores
entre 1.5 y 2.0 [1]. La manera de identificar el esfuerzo de meseta σpl en la curva esfuerzo
deformación se muestra en la Fig. 4.18.
Figura 4.18. Curva de compresión para una espuma metálica [1].
Para una curva de compresión de una espuma metálica real, el esfuerzo de meseta σpl, es
muy relativo, por lo tanto, la ecuación 4.1 es una función potencial que se puede rescribir,
proponiendo la ecuación:
( ) ,
(Ec. 4.2)
80
donde σC es la resistencia a la compresión (ver Fig. 4.16), ρ* es la densidad de la espuma
metálica, ρS la densidad del material sólido, y A y B, son constantes que se pueden ajustar
dependiendo del material que constituye la espuma y la estructura celular de las mismas.
En la Tabla 4.9 se muestran los valores promedio de densidad, densidad relativa, resistencia
a la compresión y velocidad de deformación bajo la cual se realizó el ensayo de compresión,
de las Espumas A356, de los procesos Alporas® y FOAMINAL®, y de las espumas Cymat
SmartMetal®. Los datos mostrados de las espumas E400s, E450s, E500s y E550s, son el
promedio de las propiedades de las espumas A356 (ver Tabla 4.8) producidas usando TiH2
con tratamiento térmico de 400, 450, 500 y 550 °C. La velocidad de deformación para las
espumas del proceso FOAMINAL® y las espumas Cymat SmartMetal® no es especificada ya
que esta no tiene efecto en la resistencia a la compresión de tales espumas.
Los valores de la resistencia a la compresión y densidad relativa de la Tabla 4.9,
corresponden a espumas de diferentes materiales y densidades. Los valores de resistencia
a la compresión de las espumas, se pueden visualizar en la gráfica de la Fig. 4.19.
Tabla 4.9. Datos sobre la resistencia a la compresión de las espumas A356, de los
procesos registrados Alporas [4] y FOAMINAL [5], y de las espumas bajo la marca
registrada Cymat SmartMetal [29].
Velocidad de
Deformación
(s-1)
σC
(MPa)
0.146
0.196
0.131
0.168
4.1 x 10-4
4.0
7.8
2.7
4.6
0.283
0.105
1 x 10-3
1.8
0.50
0.185
Material
Denominación
ρ*
(g cm-3)
ρ* / ρS
Espuma
A356
A356
E400s
E450s
E500s
E550s
0.391
0.525
0.351
0.451
Alporas®
Al
Al
AlSi7
AlSi7-a
Tipo
®
FOAMINAL
Cymat
SmartMetal®
AlSi12
6061
A356
AlSi12
6061-a
0.60
0.70
0.222
0.259
A356SiC020
0.20
0.074
A356SiC030
A356SiC040
0.30
0.40
0.111
0.148
7.9
-
15.1
16.7
1.0
-
2.4
4.0
81
Figura 4.19. Resistencia a la compresión en función de la densidad relativa de Espumas A356, de
procesos registrados Alporas y FOAMINAL, y de espumas de marca registrada Cymat SmartMetal.
En la Fig. 4.19 se puede observar que los puntos graficados, correspondientes a espumas
de diferente material y densidad, también presentan un comportamiento correspondiente a
una función potencial, ajustándose a la Ec. 4.2, donde la resistencia a la compresión esta en
función de la densidad relativa. En esta ocasión, las constantes A y B, se pueden ajustar
para obtener una ecuación donde se calcule la resistencia a la compresión de espumas de
cualquier material y con estructuras celulares de características diferentes, en función de su
densidad.
Los puntos graficados de la Fig. 4.19 se ajustan mejor a la Ec. 4.2 comparado con los
puntos de la Fig. 4.17. Esto se puede deber a que no se tiene un control en el tamaño de
poro, es decir, la distribución de tamaño de poros de las espumas producidas usando
TiH2-400, TiH2-450 y TiH2 550, es muy amplio (ver Fig. 4.6), provocando que algunos
puntos de la Fig. 4.17 no se ajusten a la Ec. 4.2. Por otro lado, los puntos de la Fig. 4.19 se
ajustan casi en su totalidad con la Ec. 4.2, lo cual se puede atribuir a que se usaron valores
promedios tanto de las Espumas A356 como de las espumas comerciales, y aunado al
hecho de que exista un mejor control de la estructura celular en las espumas comerciales.
82
4.4.2 Capacidad de Absorción de Energía
En la Tabla 4.10 se visualiza la energía absorbida por unidad de volumen de las Espumas
A356 hasta la deformación de densificación (ED) y hasta un 50 % de deformación (Ee=0.5), la
densidad, y densidad relativa, así como promedio de los valores para cada tipo de espumas.
Tabla 4.10. Energía absorbida de las Espumas A356 hasta la deformación de
densificación (ED) y hasta un 50 % de deformación (Ee=0.5).
Muestra
400741-C
400742-C
400761-C
Promedio
450701-C
450691-C
450611-C
Promedio
500511-C
500531-C
500571-C
Promedio
550721-C
550621-C
550711-C
Promedio
Agente Espumante
Empleado
TiH2-TT400
TiH2-TT450
TiH2-TT500
TiH2-TT550
-
ρ*
(g cm-3)
0.297
0.413
0.463
0.391
0.448
0.576
0.552
0.525
0.363
0.353
0.336
0.351
0.245
0.540
0.567
0.451
ρ* / ρS
eD
0.111
0.154
0.173
0.146
0.167
0.215
0.206
0.196
0.135
0.132
0.125
0.131
0.091
0.201
0.211
0.168
0.75
0.64
0.56
0.65
0.55
0.52
0.60
0.56
0.73
0.76
0.75
0.75
0.74
0.78
0.67
0.73
ED
(MJ m-3)
1.3
2.8
1.6
1.9
2.2
2.8
3.2
2.7
2.1
1.7
1.6
1.8
0.8
5.5
3.3
3.2
Ee=0.5
(MJ m-3)
0.8
2.2
1.4
1.5
2.0
2.7
2.3
2.3
1.4
0.8
0.9
1.0
0.4
2.2
2.0
1.5
El área bajo la curva esfuerzo-deformación es la energía por unidad de volumen y se calcula
mediante la siguiente integral:
∫
( )
,
(Ec. 4.3)
Donde E es la energía absorbida, σ el esfuerzo de compresión y e la deformación. Por lo
tanto, ED y Ee=0.5, se calculan resolviendo las siguientes ecuaciones:
( )
∫
∫
,
( )
(Ec. 4.4)
,
(Ec. 4.5)
83
Las energías ED y Ee=0.5 fueron calculadas usando el programa OriginPro.
En la Tabla 4.10 se muestra que las espumas metálicas presentaron una absorción máxima
de energía ED entre 0.8 y 5.5 MJ m-3. Una gráfica de energía absorbida en función de la
densidad relativa se presenta en la Fig. 4.20.
Figura 4.20. Densidad relativa vs energía absorbida de las espumas A356.
La curva de la Fig. 4.20 presenta un comportamiento aparentemente aleatorio, donde la
energía en función de la densidad relativa no presenta una relación como la que presentó la
resistencia a la compresión en función de la densidad relativa, sin embargo, se puede
destacar que existe un punto máximo en la curva correspondiente a un valor de densidad
relativa de 0.201.
La energía por unidad de volumen que es capaz de absorber un material con capacidad de
absorción de energía, se muestra en la curva esfuerzo-deformación de la Fig. 4.21, y esta
definida por la siguiente ecuación:
,
(Ec. 4.6)
84
Donde Wv, es el valor máximo de energía por unidad de volumen absorbida por la espuma
hasta la densificación, σpl es el esfuerzo de meseta (plateau stress) y εD la deformación de
densificación [1].
Figura 4.21. Curva esfuerzo-deformación para un material con capacidad de absorber energía. El
área bajo la parte plana (‘plateau’) de la curva, es la energía útil, W, o energía por unidad de volumen,
Wv, la cual puede ser absorbida [1].
El valor de Wv en la Ec. 4.6 depende, además de un valor lo mas grande posible para εD,
del esfuerzo de meseta σpl, que como se mencionó en la sección anterior, el valor que se le
pueda dar a σpl es muy relativo, considerando que el comportamiento de la curva de
compresión de una espuma metálica solo es aproximado a la curva mostrada en la
Fig. 4.21. Por lo tanto, la mejor manera de calcular la energía absorbida de una espuma
metálica es mediante la Ec. 4.4.
En la Tabla 4.11 se muestran los valores promedio de densidad, densidad relativa y energía
absorbida hasta una deformación del 50 %, de las Espumas A356, de los procesos Alporas®
y FOAMINAL®, y de las espumas Cymat SmartMetal®. Los datos mostrados de las espumas
E400s, E450s, E500s y E550s, son el promedio de las propiedades de las espumas A356
(ver Tabla 4.10) producidas usando TiH2 con tratamiento térmico de 400, 450, 500 y 550 °C.
Los valores de energía absorbida a una deformación del 50 % y la densidad relativa de la
Tabla 4.11, corresponden a espumas de diferentes materiales y densidades. Los valores de
energía absorbida hasta una deformación del 50 % de las espumas, se pueden visualizar en
la gráfica de la Fig. 4.22.
85
Tabla 4.11. Datos sobre la energía absorbida hasta una deformación del 50 % de las
espumas A356, de los procesos registrados Alporas [4] y FOAMINAL [5], y de las
espumas bajo la marca registrada Cymat SmartMetal [29].
Tipo
Material
Denominación
Espuma A356
A356
A356
A356
A356
E400s
E450s
E500s
E550s
ρ*
(g cm-3)
0.391
0.525
0.351
0.451
Alporas®
Al
Al
FOAMINAL®
AlSi7
AlSi7
6061
Cymat SmartMetal®
A356
0.146
0.196
0.131
0.168
Ee=0.5
(MJ m-3)
1.5
2.3
1.0
1.5
0.283
0.105
0.9
AlSi7-b
AlSi7-c
6061-b
0.55
0.63
0.60
0.204
0.233
0.222
4.4
5.3
7.1
A356SiC020
0.20
0.074
0.4
A356SiC030
A356SiC040
0.30
0.40
0.111
0.148
1.4
2.6
ρ* / ρS
Figura 4.22. Energía absorbida en función de la densidad relativa de Espumas A356, de procesos
registrados Alporas y FOAMINAL, y de espumas de marca registrada Cymat SmartMetal.
En la Fig. 4.22 se puede observar que la gráfica, correspondiente a espumas de diferente
material y densidad, también presenta un punto máximo, teniendo un valor máximo de
energía absorbida correspondiente a una densidad relativa de 0.222.
86
Las gráficas de la Fig. 4.20 y 4.22 tienen un comportamiento similar al presentar un punto
máximo. Las Espumas A356 tienen una máxima capacidad de absorción de energía en
espumas con densidades relativas de 0.201, ahora bien, considerando tanto a las Espumas
A356 como a las comerciales, una espuma en general tendrá una máxima capacidad de
absorción de energía cuando la densidad relativa sea de 0.222.
Se debe de considerar que para un tipo de espuma metálica (de cierto material y estructura
celular) existe un valor de densidad aproximado en particular donde la capacidad de
absorción de energía es máxima, como lo muestra la Fig. 4.20. Además, se puede
considerar como caso general, estimar el valor aproximado de densidad que debe tener una
espuma de cualquier material, para que la capacidad de absorción de energía sea máxima
(ver Fig. 4.22).
4.4.3 Efecto del Área Transversal Sólida en la Resistencia a la Compresión y
Absorción de Energía
Hasta ahora, las curvas esfuerzo-deformación, así como los datos de resistencia a la
compresión y absorción de energía extraídos de las mismas, están basados considerando el
área transversal de la espuma (compuesto metal-gas). En esta sección se tratan también los
valores de resistencia a la compresión y energía absorbida considerando el área transversal
de la parte sólida de la espuma. El área transversal de la espuma y el área de la parte sólida
se muestran en la Fig. 4.23. El área de la parte sólida fue calculada considerando la parte no
porosa de la espuma, es decir, restando la porosidad del 100 % del área de la espuma, se
tiene el porcentaje de área que ocupa la parte sólida.
En la Tabla 4.12 se muestran los valores de resistencia a la compresión y energía absorbida
de la espuma (σC y ED) y, la resistencia a la compresión y energía absorbida considerando la
parte sólida de la espuma (σCS y EDS). En dicha tabla también se muestra la densidad,
densidad relativa y porosidad de las espumas.
Se puede observar en la Tabla 4.12, que cuando se considera solo el área sólida de la
espuma, la resistencia a la compresión y la absorción de energía se incrementan
considerablemente.
87
Figura 4.23. (a) Área transversal de la espuma considerando los poros y la parte sólida; (b) área
transversal de la parte sólida.
Tabla 4.12. Resistencia a la compresión y energía absorbida de las Espumas A356
usando el área transversal de la espuma (σC y ED) y la parte sólida (σCS y EDS).
Muestra
400741-C
400742-C
400761-C
450701-C
450691-C
450611-C
500511-C
500531-C
500571-C
550721-C
550621-C
550711-C
Agente
Espumante
Empleado
TiH2-TT400
TiH2-TT450
TiH2-TT500
TiH2-TT550
ρ*
-3
(g cm )
ρ* / ρS
Porosidad
(%)
σC
(MPa)
ED
-3
(MJ m )
σCS
(MPa)
EDS
-3
(MJ m )
0.297
0.413
0.463
0.448
0.576
0.552
0.363
0.353
0.336
0.245
0.540
0.567
0.111
0.154
0.173
0.167
0.215
0.206
0.135
0.132
0.125
0.091
0.201
0.211
88.9
84.6
82.7
83.3
78.5
79.4
86.5
86.8
87.5
90.9
79.9
78.9
1.0
6.4
4.6
6.7
7.6
9.1
3.0
3.1
1.9
0.7
7.5
5.5
1.3
2.8
1.6
2.2
2.8
3.2
2.1
1.7
1.6
0.8
5.5
3.3
9.4
41.4
26.8
40.0
35.5
44.1
22.4
23.7
15.3
8.2
37.5
26.2
11.8
18.5
9.5
13.2
13.1
15.6
15.4
12.9
12.7
8.9
27.2
15.8
En la Tabla 4.13 se muestra el incremento
de resistencia a la compresión y energía
absorbida que presentan las espumas cuando es considerada solo el área transversal de la
parte sólida de la espuma. En dicha tabla, se presentan de forma ascendente los valores de
densidad de las Espumas A356, para visualizar la relación entre la densidad y el incremento
de resistencia y energía absorbida.
88
Tabla 4.13. Incremento de la resistencia a la compresión y energía absorbida de la
espuma utilizando el área transversal de la parte sólida respecto a cuando se utiliza el
área transversal de la espuma.
Muestra
ρ*
(g cm-3)
Porosidad
(%)
σC
(MPa)
ED
(MJ m-3
σCS
(MPa)
EDS
(MJ m-3)
Incremento
(%)
550721-C
0.245
90.9
0.7
0.8
8.2
8.9
1095
400741-C
0.297
88.9
1.0
1.3
9.4
11.8
904
500571-C
0.336
87.5
1.9
1.6
15.3
12.7
800
500531-C
0.353
86.8
3.1
1.7
23.7
12.9
760
500511-C
0.363
86.5
3.0
2.1
22.4
15.4
739
400742-C
0.413
84.6
6.4
2.8
41.4
18.5
650
450701-C
0.448
83.3
6.7
2.2
40.0
13.2
600
400761-C
0.463
82.7
4.6
1.6
26.8
9.5
579
550621-C
0.540
79.9
7.5
5.5
37.5
27.2
497
450611-C
0.552
79.4
9.1
3.2
44.1
15.6
486
550711-C
0.567
78.9
5.5
3.3
26.2
15.8
474
450691-C
0.576
78.5
7.6
2.8
35.5
13.1
466
Se puede apreciar en la Tabla 4.13 que las espumas incrementan desde un 466 hasta un
1095 %, su resistencia a la compresión y su capacidad de absorber energía. Conforme la
densidad de las espumas se incrementa, el porcentaje que se incrementa la resistencia y
energía absorbida, decrece. Lo anterior se relaciona directamente a que para los valores de
esfuerzo, la fuerza esta siendo dividida entre un área pequeña, la cual se va incrementando
conforme se incrementa la densidad.
Considerar el área transversal de la parte sólida para obtener la resistencia a la compresión
y energía absorbida de las espumas, conduce a un aumento considerable en los valores, en
lugar de considerar toda el área transversal de la espuma. Lo cual puede ser totalmente
valido si se considera que solo las paredes de la espuma están siendo sometidas a las
cargas aplicadas durante el ensayo de compresión, y que el gas atrapado en el interior de la
espuma, contribuye de manera mínima o insignificante a contrarrestar dichas cargas.
89
4.5 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DE LAS ESPUMAS DE ALUMINIO
En la Fig. 4.24 se pueden observar dos micrografías de microscopía electrónica de barrido,
tomadas a diferente magnificación, de la pared de una Espuma A356, y tres microanálisis de
espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDS, por sus siglas en inglés), en
diferentes zonas.
Como ya se describió en la Sección 3.3, TiH2 tratado térmicamente y Ca se agregan al metal
fundido. Debido a que el Ca se utiliza para incrementar la viscosidad de la aleación y
estabilizar los poros que se forman por la liberación del gas del agente espumante (TiH2), se
espera la presencia de Ca en las paredes de las espumas y partículas de Ti en la superficie
interior de los poros.
La micrografía del lado izquierdo de la Fig. 4.24 muestra que existen fases distribuidas en la
pared y partículas en la periferia de la pared, es decir, en la superficie interior de los poros
(color negro). El espectro (a) de la Fig. 4.24 nos demuestra que hay presencia de Ca
distribuido en las paredes, por otro lado, el espectro (b) nos indica que partículas de Ti se
están alojando en la superficie interior de los poros.
Se tiene que mencionar, que lo mas probable es que el calcio forme parte de una fase, la
cual esta distribuida dentro de las paredes de las espumas. En su mayoría, las partículas
que se encuentran en la periferia de las paredes son de Ti, ya que es probable que existan
en menor cantidad partículas de TiH2 que no llegaron a descomponerse o que liberaron
parcialmente el gas. Respecto al espectro (c) de la Fig. 4.24, el microanálisis muestra la
presencia de Ti en el interior de las paredes, lo cual se puede atribuir a una fase de la
aleación A356, ya que esta aleación contiene Ti. Como se puede apreciar en las
micrografías de la Fig. 4.24, las partículas de Ti solo se encuentran alojadas en la superficie
interior de los poros, además, cualquier otra fase que contenga Ti encontrada dentro de las
paredes, no tiene relación con las partículas de Ti; lo anterior se puede explicar
considerando los factores tiempo y temperatura, ya que desde que termina de ser mezclado
el TiH2 hasta que la espuma es totalmente enfriada y solidificada, solo transcurren unos
cuantos minutos.
Se realizaron microanálisis de dos paredes por cada tipo de espuma, es decir, una espuma
producida con TiH2 de tratamiento térmico a 400, 450, 500 y 550 °C. La distribución de las
partículas de Ti y de las fases con Ca, eran muy similares en los microanálisis de todas las
90
paredes de las espumas, por lo que solo se analiza y se presentan las micrografías de la
Fig. 4.24, la cual corresponde a la pared de una espuma producida con TiH2 con tratamiento
térmico de 500 °C.
Figura 4.24. Micrografías de microscopía electrónica de barrido usando electrones retro-dispersados
mostrando la microestructura de la pared de una Espuma A356, y microanálisis de espectroscopia de
dispersión de energía de rayos X.
91
4.6 EL PROCESO
El proceso desarrollado a nivel laboratorio para fabricar las espumas de aluminio del
presente trabajo, comparado con los procesos que también utilizan agente espumante
tratado térmicamente, presenta diversas ventajas y diferencias. El proceso FORMGRIP y las
técnicas de metalurgia de polvos, los cuales fueron explicados en las secciones 2.5.1 y
2.5.2, son procesos que utilizan agente espumante con tratamiento térmico.
El primer punto es el tiempo de los tratamientos térmicos para el agente espumante (TiH2).
En el proceso desarrollado, se aplica un tratamiento térmico al agente espumante con
duración de una hora, mientras que el tiempo en el proceso FORMGRIP es de 25 horas.
En el presente proceso no se utilizan polvos metálicos, los cuales si son empleados tanto en
el proceso FORMGRIP como en las técnicas de metalurgia de polvos, repercutiendo
directamente en bajar los costos para producir espumas.
El proceso desarrollado es sencillo y consta de pocos pasos para obtener espuma, en
comparación con el proceso FORMGRIP y las técnicas de metalurgia de polvos, los cuales
son complejos y se requiere de un mayor número de pasos para producir las espumas de
aluminio.
Por otro lado, el agregar partículas de SiC al metal fundido para aumentar la viscosidad del
mismo, como se hace en el proceso FORMGRIP, fragiliza las paredes de los poros de las
espumas, mientras que en el proceso del presente trabajo, se utiliza Ca, el cual se agrega
como elemento aleante en la aleación.
92
V CONCLUSIONES
5.1 AGENTE ESPUMANTE

El cambio de color y las fases presentes, en los polvos de TiH2 tratados
térmicamente, indica que se forman capas de óxido de diferente naturaleza química
y cantidad.

Aplicar un tratamiento térmico a los polvos TiH2 retarda la evolución del gas.

El TiH2 con tratamiento térmico de 500 °C es el mejor agente espumante debido a
que el intervalo de temperatura donde se presenta la liberación del gas es el más
corto respecto a los demás tratamientos.

En base a los tres puntos anteriores, el aplicar un tratamiento térmico de 500 °C a los
polvos de TiH2, conlleva a tener el tiempo necesario para mezclar y distribuir el TiH2
tratado térmicamente en el metal líquido, sin que se presenta la liberación del gas, y
una vez que se alcanza la temperatura de descomposición del TiH2 tratado
térmicamente, la liberación total del gas se presenta en el menor tiempo posible, lo
cual favorece a lograr obtener espumas con la estructura celular más homogénea.
5.2 ESTRUCTURA CELULAR
Cuando se utiliza agente espumante con tratamiento térmico de 500 °C, se producen
espumas con la estructura celular más homogénea, debido a que presentan la distribución
de tamaño de poro más reducida.
5.3 DENSIDAD
Las espumas de la aleación A356 son materiales ultraligeros que presentaron densidades
entre 0.24 y 0.58 g cm-3.
93
V CONCLUSIONES
5.4 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

La conductividad térmica de la aleación A356 se reduce de manera considerable en
forma de espuma, logrando obtener hasta un 98 % de reducción.

La conductividad térmica de las espumas esta en función de su densidad; conforme
se disminuye la densidad de la espuma, la conductividad térmica también disminuye.

El material del que están hechas las espumas también es un factor importante,
siendo las espumas de la aleación A356, las que presentan los valores de
conductividad térmica más bajos entre espumas de diferentes aleaciones.
5.5 COMPORTAMIENTO A LA COMPRESIÓN

Las espumas de aluminio son materiales que presentan una amplia región de
deformación plástica.

La resistencia a la compresión de las espumas se relaciona de manera potencial con
su densidad relativa; conforme la densidad relativa de las espumas se incrementa, la
resistencia a la compresión se incrementa de forma potencial.

La capacidad de absorción de energía de las Espumas A356 es máxima cuando su
densidad relativa es de 0.201, mientras que como caso general, la máxima
capacidad de absorción de energía de espumas de diferente material y obtenidas de
diversos procesos, se presenta cuando la espuma tiene un valor de densidad relativa
de 0.222.
5.6 MICROESTRUCTURA
Cuando los poros son formados, producto de la liberación del hidrógeno de los polvos de
hidruro de titanio, ocurre lo siguiente:

se evita el colapso de las paredes de los poros, gracias a la presencia de calcio, el
cual incrementa la viscosidad de la aleación,

el titanio se aloja en la superficie interior de los poros en forma de partículas pero no
se esta incorporando como elemento aleante.
94
V CONCLUSIONES
5.7 EL PROCESO
El proceso desarrollado a nivel laboratorio, comparándolo con los procesos que utilizan
agente espumante para obtener espuma de aluminio, se puede destacar lo siguiente:

Es un proceso más sencillo y consta de menos pasos,

se reducen los costos al no utilizar polvos metálicos en el proceso,

el tiempo de tratamiento térmico en el agente espumante es de tan solo una hora,
por lo que se reduce tiempo y costos.
5.8 TRABAJO FUTURO Y RECOMENDACIONES

Estudiar la naturaleza química de la capa de óxido que se forma en el TiH2 en
función de la temperatura, haciendo uso de técnicas de caracterización como análisis
térmicos, difracción de rayos X y microscopía electrónica.

Identificar la temperatura y el tiempo de tratamiento térmico donde la capa superficial
de óxido es más resistente.

En base a los dos puntos anteriores, evaluar nuevos tratamientos térmicos o la
combinación de tratamientos térmicos para el TiH2.

Estudiar el efecto de la viscosidad del metal fundido en las espumas.

Mejorar el proceso de tratamiento térmico del TiH2 para lograr una oxidación
superficial más homogénea.

Estudiar las propiedades químicas de las espumas de aluminio.

Estudiar detalladamente la microestructura en las paredes de los poros de las
espumas.

Evaluación más detallada sobre conductividad térmica de las espumas, así como
estudiar otras propiedades físicas como la conductividad eléctrica y propiedades
acústicas.

Evaluar y estudiar de manera más completa las propiedades mecánicas de las
espumas: estudiar de manera más profunda el comportamiento a la compresión y,
evaluar el comportamiento al impacto, a la tensión y flexión.

Evaluar alternativas para incrementar la resistencia mecánica de las espumas.
95
V CONCLUSIONES

Proponer ecuaciones que predigan lo más cercano posible, las propiedades de las
espumas con propósitos de diseño. Por ejemplo, de la Ec. 4.2 (ecuación para
predecir el esfuerzo de compresión), analizar y calcular las constantes A y B, para
saber de que manera se relacionan con el material y la estructura celular de las
espumas de aluminio.
96
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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propiedades y aplicaciones. Revista de Metalurgia. 44(5):457-476.
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[5] Fraunhofer IFAM. FOAMINAL, Properties overview and design guideline. pp. 4, 8, 15.
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http://www.ifam.fraunhofer.de/2801/leichtbauwerkstoffe/metallschaeume/design/design_guid
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oxidized
TiH2
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“No pidas una carga ligera, pide unas espaldas fuertes”
- Theodore Roosevelt

“DESARROLLO DE UN PROCESO PARA OBTENER ESPUMAS DE

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