Fabricación de aluminio de alta resistencia por mecanosíntesis y sinterización

Résumé

Actualmente, la industria del transporte se distingue por ser una de las más potentes. Su impacto sobre el empleo, la inversión, el comercio exterior y el medio ambiente hace que tenga una inmensa importancia económica, política y social. Sólo en el año 2002, se fabricaron casi 59 millones de automóviles en todo el mundo. España ocupa el quinto puesto a nivel mundial por el volumen de producción, con una facturación en el pasado ejercicio 2002 de 42040.84 millones de euros (casi 7 billones de pesetas), cifra equivalente al 7% del Producto Interior Bruto del País. El potencial económico de la industria del automóvil no le hacer estar exenta de enormes presiones, tanto internas como externas, para reducir los costes de fabricación y el consumo de combustible de los vehículos. Y es que la mayor conciencia ecológica de la sociedad moderna, el aumento del precio del petróleo y, recientemente, la mayor presión gubernamental, hace que cada vez se demanden automóviles con un menor consumo. Esto, si se quieren atender las demandas de los consumidores, ha de conseguirse a la vez que se mejoran las prestaciones de los vehículos. Un modo de alcanzar un punto de encuentro entre estas peticiones, en principio contrapuestas, consiste en reducir el peso de los vehículos. Por este motivo, a partir de la crisis del petróleo de mediados de los años 1973 y 1978, el uso de acero en la industria del automóvil sustancialmente a favor del empelo de metales ligeros como el aluminio y magnesio. El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Con una densidad de 2,7 g/cm3, tres veces inferior a la del acero, es uno de los metales más ligeros, sólo superado por el litio, sodio, berilio y magnesio. Si a esto se le une su alta conductividad eléctrica y térmica, elevada resistencia a la corrosión, y su facilidad para ser moldeado, el aluminio se convierte en un material especialmente atractivo, no sólo por motivos económicos, sino también por el conjunto de propiedades que presenta. Pese a la abundancia de este metal, su aplicación industrial a gran escala no se inició hasta los años 40 del pasado siglo. A partir de entonces, el consumo mundial de aluminio ha sufrido un fuerte crecimiento, hasta llegar a una producción de 36 millones de toneladas en el año 2002. Todos los indicadores muestran la misma tendencia para los próximos 5 años, esperándose un crecimiento medio anual del 2,9%, de modo que está previsto superar los 42 millones de toneladas en el año 2008. Aunque, en apenas 60 años, el aluminio haya pasado de tener un uso prácticamente testimonial a emplearse con asiduidad, para que la utilización de este material pueda extenderse ampliamente a aplicaciones industriales copadas tradicionalmente por materiales férreos, se hace necesario mejorar algunas de sus propiedades. Entre ellas se encuentra la resistencia a la tracción, muy por debajo de la proporcionada por aleaciones de base hierro. Uno de los principales avances en este sentido se base en el control microestructural, a través de tratamientos térmicos de envejecimiento, aprovechando el cambio de solubilidad en el aluminio de ciertos elementos de aleación, en función de la temperatura. Como ejemplo de estas aleaciones cabe destacar las de la serie 2xxx (Al-Cu), en las cuales la aparición de precipitados nanométricos de transición son responsables del endurecimiento del material. Con objeto de mejorar, aún más, las propiedades mecánicas de materiales como el aluminio, aparecieron los materiales compuestos de matriz metálica (MMC), de gran desarrollo en los últimos 25 años. Un material compuesto de matriz metálica resulta de la combinación de uno o varios refuerzos, generalmente no metálicos, embebidos en una matriz de naturaleza metálica. De este modo se persigue combinar las ventajas de los diversos constituyentes a fin de construir un material con mejores propiedades. Con diferencia, las matrices más empleadas en la construcción de MMCs son el aluminio y sus aleaciones, en concreto, las de las series 2xxx, 6xxx y 7xxx. Los refuerzos suelen incorporarse en porcentajes en volumen que oscilan entre el 5 y el 20% y, para las matrices anteriores, los más comunes son la alúmina (Al2O3) y el carburo de silicio (CSi), incorporados en forma de partículas. Otra de las más importantes propiedades a mejorar en el aluminio es la resistencia mecánica a elevadas temperaturas, y es que este material deja de ser útil, desde el punto de vista de la resistencia, a temperaturas cercanas a los 100 ºC. Aleaciones, como las de la serie 2xxx, endurecidas por precipitación, quedan inservibles a temperaturas alrededor de los 200 ºC, cuando se produce la transformación de las fases metaestables coherentes con la matriz, a la fase de equilibrio ? (Al2CU). Entonces, el material se reblandece, y se dice que está sobremadurado o sobreenvejecido. En el caso de que estas aleaciones sean reforzadas por partículas de, por ejemplo, carburo de silicio, la resistencia del material a alta temperatura sigue siendo pobre. Esta resistencia está controlada, esencialmente, por la matriz, ya que a elevada temperatura el efecto de endurecimiento por precipitación es despreciable, como se acaba de indicar. Si se quiere mantener un mínimo de resistencia a temperaturas elevadas, se hace necesario que exista en la matriz de aluminio una o más fases refractarias, de escala nanométrica, termodinámicamente estables y bien distribuidas. Estas últimas aleaciones se denominan endurecidas por dispersión. Un método que permite obtener polvos de aleaciones metálicas endurecidas por dispersión es el aleado mecánico (AM). Esta técnica es un proceso de molienda de alta energía que permite obtener partículas metálicas de material compuesto, formado, usualmente, por una dispersión submicroscópica de compuestos cerámicos en la matriz metálica. El AM puede, en principio, ser aplicado a una gran variedad de metales, o mezclas de metales, y partículas no metálicas. A su vez, debido a que el aleado mecánico es un proceso en estado sólido, que no precisa de la fusión de los materiales, puede ser empleados para producir aleaciones a partir de componentes inmiscibles en esta líquido o con amplia diferencia entre sus puntos de fusión. Durante el aleado mecánico, las partículas de polvo son sometidas a procesos repetitivos de deformación, fractura y soldadura. Esto origina, en el caso de la molienda de polvos de base aluminio, que las películas de óxido que recubren la superficie de las partículas sean fragmentadas e incorporadas al interior de cada una de ellas. Para prevenir la excesiva soldadura de los polvos, y establecer un equilibrio dinámico entre los procesos de fractura y soldadura, se adiciona un lubricante, también denominado agente controlador del proceso (ACP). Al igual que la alúmina, este aditivo es incorporado hacia el interior de las parículas de polvo, lo que supone, dado el carácter generalmente orgánico de este ACP, la inclusión de carbono y oxígeno en el material. De este modo, durante el calentamiento posterior a la molienda, se originan partículas compuestas de base aluminio con dispersoides submicroscópicos, de óxido de aluminio y carburo de aluminio, homogéneamente distribuidos en la matriz. De entre las múltiples aplicaciones del aleado mecánico, merece destacarse su empleo para originar, mediante mecanosíntesis, la formación de segundas fases, o, por ejemplo, reducir óxidos, cloruros y sulfuros. El uso del aleado mecánico como herramienta para producir la síntesis mecanoquímica de materiales data del año 1989. Desde entonces, y a causa de las propiedades única de los materiales desarrollados, el binomio AM-mecanosíntesis está acaparando la atención de numerosos investigadores. Una de las principales características, derivadas del empleo de la aleación mecánica para la mecanosíntesis de materiales, es que se puede provocar, a temperaturas cercanas a la ambiente, el inicio de reacciones que en condiciones normales requieren de altas temperaturas para producirse. Este fenómeno parece estar promovido por el contacto íntimo de los reactivos que se produce durante la molienda, la generación de superficies químicamente muy activas, el aumento de la superficie total del contacto como consecuencia de la fractura de las partículas de polvo, así como la alta densidad de defectos y el rendimiento estructural derivado del proceso de aleado mecánico. Por otra parte el aluminio aleado mecánicamente (Al AM9 es un polvo duro, cuyas partículas están cubiertas por películas de óxidos y/o hidróxidos de aluminio. Esto origina problemas en los procesos de consolidación de los polvos, ya que resulta difícil conseguir un buen contacto directo entre las partículas metálicas propiamente dichas. Por ello, habitualmente, la consolidación se lleva a cabo por complicados procesos de conformación que incluyen, entre otras, una etapa de prensado isostático en caliente (hipping), o que emplean, al menos, una operación con alto grado de deformación plástica en caliente, generalmente extrusión en caliente. El intenso trabajo plástico rompe las películas de óxido localmente, permitiendo así el contacto íntimo entre las partículas metálicas propiamente dichas. Además, la gran afinidad del aluminio por el oxígeno, obliga, durante la sinterización, al uso de atmósferas protectoras con bajo potencia de oxígeno, siendo frecuente el empleo de vacío. En nuestro Grupo de investigación se ha puesto a punto una ruta de consolidación del Al AM., más sencilla, que elimina la necesidad del empleo de la etapa de deformación en caliente. Este procesado secundario se lleva a cabo con el uso de las etapas pulvimetalúrgicas (PM) tradicionales de prensado mecánico en frío y sinterización. En un principio, el polvo Al AM se desgasificaba previamente a la consolidación, posteriormente se ha eliminado la etapa de desgasificado, controlando la porosidad de los compactos durante el primer prensado. Con estos antecedentes, el objetivo fundamental de esta investigación es doble. Por un lado se persigue obtener de piezas pulvimetalúrgicas de aluminio de alta resistencia, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. El medio empleado para lograrlo es la mecanosíntesis de carburos y/o nitruros de aluminio, obtenidos a partir de reacciones sólido-gas y sólido-sólido durante la molienda. El aleado mecánico permitirá asegurar la distribución homogénea de estos dipersoides, y su, presumiblemente, carácter nanocristalino conferirá atractivas propiedades mecánica a los compactos. Como fuente de carbono durante la molienda, se ha utilizado, en primer lugar, gas metano. La elevada estabilidad de esta sustancia ha obligado a utilizar diversos métodos para tratar de disociarlo en el proceso de molienda de los polvos. Estas pueden resumirse en: introducción de catalizadores para disminuir la energía de activación de la descomposición del metano, aumento de la energía en la molienda a través del empleo de bolas de material pesado, e incremento de la temperatura en el interior de la vasija aprovechando el carácter exotérmico de ciertas reacciones de formación provocadas durante la molienda. Dichas reacciones son la formación, fundamentalmente, de carburos a partir de la cera empleada como ACP, la generación de alúmina por el uso de atmósferas de metano y aire, y la posible formación, en el caso de atmósferas de metano en amoniaco, de compuestos ricos en carbono y/o nitrógeno. Asimismo, y como parte del objetivo fundamental de esta Tesis, se pretende llevar a cabo la consolidación de los polvos fabricados mediante un proceso relativamente sencillo, consistente en un prensado uniaxial en frío, seguido de sinterización. Este tipo de procesado permite obtener piezas que, en muchas ocasiones, no necesitan de etapas posteriores de mecanizado. Por otra parte, también se persigue incrementar la ductilidad de estos materiales de alta resistencia, haciendo uso de la sinterización en fase líquida del tipo supersolidus, durante el procesado de consolidación. Para ello, se añaden pequeñas cantidades de aditivo durante la molienda, a fin de que sea aleado mecánicamente con el aluminio, y se permite la formación de una fase líquida homogénea durante la sinterización. De este modo se busca mejorar la cohesión en la matriz del material compuesto.