Jornadas SAM – CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001 943-950 INFILTRACIÓN DE MUESTRAS POROSAS DE Al2O3 CON Al-6061 COMERCIAL SIN PRESIÓN EXTERNA J. Marín*, L. Olivares*, C. Moreno**, S. Ordoñez** y V. Martínez** * Comisión Chilena de Energía Nuclear, Centro Nuclear Lo Aguirre. Casilla 188-D, Santiago, Chile. ** Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de Ingeniería. Universidad de Santiago de Chile Av. B. O'Higgins 3363, Casilla 10233, Santiago, Chile. e-mail: [email protected] Palabras claves Infiltración, porosidad, capilaridad, procesos reactivos. RESUMEN En el presente trabajo se estudia la infiltración de muestras de Al2O3 que contienen aproximadamente un 40 % de poros con radios promedio de 1 µm. Estas muestras resultaron completamente infiltradas con Al-6061 a 1100 °C por 24 hrs en aire. El análisis microestructural reveló la presencia de una matriz de alúmina infiltrada a través de mecanismos que combinan procesos reactivos y capilaridad, lo cual es a su vez coherente con la presencia de porosidad abierta y cerrada. El análisis metalográfico evidenció porosidad abierta infiltrada por capilaridad con Al-6061, mientras que las micrografías de microscopía electrónica de barrido (SEM) correspondientes a este sistema, mostraron además poros cerrados rellenos con metal, el cual se transporta a través de la matriz cerámica por un mecanismo de infiltración reactiva. Los microanálisis por energía dispersiva del sistema Al2O3/Al 6061 mostraron en la interfase metal-cerámico la existencia de zonas ricas en silicio y cobre, mientras que la fase cerámica acusó la presencia del Mg. Por otra parte, mediante análisis de difracción de rayos-X (XDR) se pudo identificar la presencia de espinel MgAl2O4 en la fase cerámica. INTRODUCCIÓN Las demandas en los materiales con un mayor rendimiento productivo son tan grandes y diversas, que se ha llegado a que, aún los más avanzados, tanto cerámicos como metálicos, presenten limitaciones en sus propiedades [1]. Debido a que estos materiales no pueden por si solos satisfacer requerimientos específicos, sobre todo en condiciones severas de operación, se ha centrado la atención en desarrollar compósitos cerámico-metal, los cuales presentan mejores resistencias al choque térmico, desgaste y tenacidad, sin una pérdida significativa de las características propias de los materiales cerámicos, resistencias a elevadas temperaturas, fatiga mecánica y creep [2-5]. En el desarrollo de los materiales compuestos, los primeros en ser estudiados han sido aquellos que buscan una mejoría en la tenacidad y resistencia al desgaste [6-8]. En lo que se refiere a esta última propiedad, se han distinguido los materiales compuestos que utilizan como fase metálica aleaciones de aluminio, ya que han presentado resultados extraordinarios. En Chile han tenido mucho éxito, en los últimos diez años, los productos ALANX siendo sus principales consumidores la mediana y gran minería, especial- 943 Marín, Olivares, Moreno, Ordoñez y Martínez mente en operaciones en donde existen condiciones de gran desgaste abrasivo (apex de hidrociclones, revestimientos antiabrasivos, etc.). Estos compósitos, cerámico - metal, han quintuplicado su rendimiento en planta con relación a materiales metálicos y cerámicos tradicionales, usados en la fabricación de dichas piezas. Estos materiales compuestos consisten básicamente en una matriz de alúmina α conteniendo una cantidad variable de una aleación metálica de aluminio dispersa y/o poros. Si se comparan sus propiedades con las de alúmina típica, sinterizada a densidad total, se encuentra que son menos duras, rígidas y resistentes en compresión, pero estos nuevos compósitos pueden ser más resistentes en flexión, característica de suma importancia, ya que esta condición de esfuerzo posibilita fallas catastróficas del material (9, 10]. Esta condición se da particularmente a temperaturas elevadas además de presentar una tenacidad a la fractura muy superior y ser considerablemente más resistentes al choque térmico. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Los compactos porosos fueron fabricados con polvos de Al2O3 (ALCOA A-14) mezclados con dos tipos de ligantes, PEG 6000 y CARBOWAX. Los polvos fueron compactados uniaxialmente con 100 MPa de presión. A fin de obtener el grado de densificación adecuado para la infiltración, los compactos en verde fueron sinterizados en un horno con control de atmósfera (atmósfera de argón) y en donde se probaron distintas temperaturas de sinterización, variándose desde 1200ºC hasta 1400ºC. Posteriormente se les realizó un quemado en la mufla por 12 horas, al aire. También se sinterizaron compactos en una mufla al aire. Dada la utilización de un aditivo durante la compactación, que facilitara el prensado de los polvos, fue necesario del uso de un ciclo térmico, en la etapa de calentamiento del proceso de densificación de los compactos en verde, para su posterior eliminación. El ciclo térmico seleccionado en todos los casos fue el siguiente: 15ºC/seg hasta 300ºC, a esta temperatura se mantuvo por 1 hora para eliminar el ligante de los compactos, luego se calentó a 20ºC/seg hasta la temperatura de sinterización. El porcentaje de densidad teórica alcanzado en cada caso, se midió por el método de Arquímides. Sinterizadas todas las muestras, éstas fueron preparadas para ser infiltradas por la aleación metálica seleccionada. Para el proceso de infiltración se trabajó con una aleación comercial de aluminio 6061de composición química: Si:0.75, Fe: 0.23, Cu: 0.2, Mn: 0.077 Mg: 0.89, Cr: 0.077, Zn: 0.016, Ti: 0.023, B: 3.7 y Al: diferencia. Para la infiltración misma se utilizó un sistema sin presión externa, en un horno de resistencia en donde se realizó la inmersión total del compacto en abundante metal líquido, con un tiempo de permanencia de 24 horas, a una temperatura de 1100ºC y sin atmósfera controlada, es decir al aire. Las muestras infiltradas fueron posteriormente seccionadas y preparadas para ser caracterizadas mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (SEM) con análisis dispersivo de energías (EDX) y difracción de rayos-X (XRD). RESULTADOS Y DISCUSIÓN El resumen de los resultados obtenidos tras la compactación y sinterización de las distintas composiciones se muestra en la Tabla 1. 944 Jornadas SAM – CONAMET - AAS 2001 Tabla 1: Porcentaje de densidad teórica y porosidad obtenidos para las distintas composiciones y temperaturas de sinterización. Composición 80% de Al2O3, 20% Carbowax 85% de Al2O3, 15% Carbowax 80% de Al2O3, 20% Carbowax 85% de Al2O3, 15% Carbowax 75% de Al2O3, 20% PEG y 5% Carbowax 80% de Al2O3, 20% Carbowax 85% de Al2O3, 15% Carbowax Temperatura de sinterización 1400ºC 1400º C 1300ºC 1300ºC 1200ºC 1200ºC 1200ºC % Densidad teórica 59.7 60.0 56.1 56.4 54.3 54.5 54.6 % Porosidad 40.3 40.0 43.9 43.6 45.7 45.5 45.4 En la Tabla 1 se puede apreciar que para un porcentaje fijo de aglutinante (20% Carbowax), el efecto de la temperatura de sinterización es proporcional al incremento de la densidad teórica (%). Cuando la temperatura sube de 1200 ºC a 1400ºC, el % de densidad teórica aumenta de 54.5 a 59.7 y por lo tanto la porosidad disminuye de 45.5 a 40.3. Si se observan estos mismos parámetros para un menor contenido de Carbowax (15%), los cambios logrados en densidad y porosidad residual con el incremento de la temperatura de sinterización, son equivalentes a los de 20% de Carbowax. La diferencia se encuentra en que el porcentaje de densificación es ligeramente superior cuando se tiene un 15% de aglutinante (60 % a 1.400 ºC). Este comportamiento tiene su explicación en que cuando se tiene un menor contenido de aglutinante se permite que durante la compactación exista un mayor número de puntos de contacto cerámico-cerámico, los cuales posteriormente y con el aporte térmico, darán lugar a la formación de cuellos. Tal como es reportado por la literatura [3, 5 y 9], los cuellos formados son los responsables de permitir la ocurrencia de enlaces químicos, ya que a través de ellos los átomos de ambas partículas difunden, generando con ellos enlaces del tipo metálico, iónico o covalente, según sea el caso. Indudablemente, dependiendo de las exigencias mecánicas externas a las que estarán expuestos estos materiales serán los tipos de enlaces deseados, así por ejemplo, los enlaces metálicos son más dúctiles que otro tipo de enlace [10]. En todos los casos, los porcentajes de densificación son bajos, ya que a las temperaturas empleadas (1400 ºC como máxima), los procesos de difusión son muy lentos, debido a los bajos coeficientes de difusión de los materiales cerámicos, y por lo tanto el único mecanismo de densificación es el reemplazo de uniones mecánicas por uniones químicas con difusión de corto alcance. Los compactos sinterizados fueron posteriormente infiltrados, de acuerdo a la metodología descrita anteriormente, obteniéndose buenos resultados sólo en las siguientes composiciones: 1. 75% de Al2O3, 20% PEG y 5% Carbowax, sinterizado a 1200º C por 1 hora. (M2) 2. 80% de Al2O3, 20% Carbowax, sinterizado a 1200º C por 1 hora. (M17) 3. 85% de Al2O3, 15% Carbowax, sinterizado a 1200º C por 1 hora. (M18) 945 Marín, Olivares, Moreno, Ordoñez y Martínez Los resultados encontrados tras el proceso de infiltración son concordantes con los valores de porosidad medidos, obteniéndose infiltración total sólo en las muestras con mayor porcentaje de porosidad y que a su vez corresponden a las muestras sinterizadas a las temperaMarín, Olivares, Moreno, Ordoñez y Martínez turas más bajas. En los compactos sinterizados a 1300 ºC y 1400 ºC, se obtuvo una pequeña infiltración, lo cual se explica principalmente debido a las características que presentó la porosidad luego del proceso de sinterización, dando a entender la existencia de una porosidad cerrada, que impide el flujo metálico por capilaridad. Las muestras de Al2O3 que resultaron completamente infiltradas con Al-6061 a 1100 °C por 24 hrs en aire, evidenciaron a través de análisis metalográfico la presencia de una matriz de alúmina con porosidad abierta infiltrada por capilaridad con Al (Figura 1). Figura 1: Micrografía óptica de una muestra infiltrada del sistema Al2O3/Al 6061. También se observaron, a través de microscopía electrónica de barrido, poros cerrados y totalmente llenados con metal. En este caso y a diferencia de las observaciones con microscopía óptica, es posible señalar que el transporte atómico de metal a través de la matriz cerámica, se ha llevado a efecto por un mecanismo de infiltración reactiva. Esta observación, también ha sido reportada por otros investigadores [11 y 12] y ellos concuerdan en que el Mg juega un papel fundamental en establecer condiciones de reactividad con la alúmina en la formación de espineles. Las micrografías SEM correspondientes a este sistema se muestran en las figuras 2a y 2b. 946 Jornadas SAM – CONAMET - AAS 2001 (a) (b) Figura 1: Micrografías SEM de una muestra infiltrada del sistema Al2O3/Al 6061. Los microanálisis por energía dispersiva de la fase metálica muestran en la interfase metal-cerámico zonas ricas en silicio y cobre, mientras que en la fase cerámica se observa la presencia del Mg (Figura 3) y según los análisis de XDR de la fase cerámica identificaron al espinel MgAl2O4. Esta formación se puede plantear de acuerdo a las siguientes reacciones: 3 Mg(l) + Al2O3 (s) → MgO(s) + 2 Al(l) ∆Gº1.000ºK = − 76.63 KJ mol−1 (1) 3 Mg(l) + 4 Al2O3 (s) → 3 MgAl2O4(s) + 2 Al(l) ∆Gº900ºK = − 13.00 KJ mol−1 (2) 180 µm 947 Marín, Olivares, Moreno, Ordoñez y Martínez Figura 3: Microanálisis por energía dispersiva de la interfase metal-cerámico en el que se observa la presencia del Mg en el cerámico. Marín, Olivares, Moreno, Ordoñez y Martínez En relación a la formación de este espinel, es evidente que entra en competencia con la formación del MgO y éste a su vez se origina con elevados contenidos de magnesio (mayores de 1.5 % en peso) y temperaturas de trabajo bajas. Por otra parte, el espinel se ve favorecido en su formación con bajos niveles de magnesio (menores de 1.5 % en peso) [11]. Dado que el proceso de infiltrado ocurre a elevadas velocidades, es posible que el mojado reactivo se vea afectado por ello, lo que estaría señalando que las reacciones planteadas anteriormente se lleven a cabo durante los primeros tiempos de inmersión del compacto en el baño líquido. Luego, la interrogante que nace es si el proceso reactivo que ha sido descrito anteriormente genera un impacto positivo sobre el proceso de infiltración o no, lo cual a la luz de los resultados preliminares que se tienen, es imposible poder tener una definición al respecto. En este sentido, investigaciones recientes señalan que en sistema Al-Mg [13], cuando se infiltra con ayuda de presión externa, esta es más alta en este sistema que en al puro. Esto estaría señalando que en el sistema reactivo Al-Mg, los productos de reacción actuarían como bloqueadores parciales de la entrada de metal líquido, haciendo necesario, por tanto, de una mayor presión externa que ayude a forzar el metal a fluir a través de la porosidad interconectada. 948 Jornadas SAM – CONAMET - AAS 2001 CONCLUSIONES Como conclusión final es posible señalar que los resultados experimentales preliminares, han demostrado que es absolutamente factible infiltrar muestras cerámicas base alúmina con una aleación metálica, sin atmósfera controlante y sin la ayuda de una presión externa. Esta infiltración ha confirmado que el proceso se lleva a cabo a través de un mecanismo reactivo, en que el magnesio tiene un papel fundamental al reaccionar con la alúmina, dando origen a un compuesto químico tipo espinel. BIBLIOGRAFÍA 1.- F. Delannay, L. Froyen and A. Deruyttere; J. Mat. Sci. 22, p. 1,(1987). 2.- J. M. Howe; Int. Mater. Rev., 38 p. 233, (1993). 3.- B.C. 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