Obtención de espumas metál=
icas
de aluminio por el método de infiltración en preformas lixiviables.
Obtaining Aluminum Metal foams by the
method of infiltration into leachable preform.
Patricio
Abarca Pérez.
The objective of
this study is to describe and analyze in a substantial way the method of
obtaining metal foams from open cell aluminum, by means of the infiltration=
of
molten metal method in leachable preforms, for which a significant number of
samples were obtained. The preform used is NaCl, with a grain size of 0.85 =
to
1.7 mm. The experimental procedure is based on the use of an airtight
cylindrical mold in which the aluminum infiltration in the preform takes pl=
ace.
A vacuum pressure is transmitted to this mold that allows to verify the
suitable seal to be able to apply the positive pressure that favors the
infiltration. The open cell metallic foams obtained have an average relative
density of 0.145, resulting in a high degree of porosity (85.5%). This coul=
d be
due to the wide range of particle size used, which denotes that a certain
number of pores would have ligaments and cell walls thinner than others,
therefore, require less metal.
Keywords: Metal Foam, Infiltratio=
n, Leach, Preform, Relative Density.<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc440896899'>
El objetivo de este estudio es describir y analizar de una manera
sustancial el método de obtención de espumas metálicas de aluminio de celda
abierta, mediante el método infiltración de metal fundido en preformas lixiviables, para lo cual se obtuvieron un número
significativo de muestras. La preforma utilizada es el NaCl, con un tamańo =
de
grano de 0,85 a 1,7 mm. El procedimiento experi=
mental
se fundamenta en la utilización de un molde cilíndrico hermético en cuyo
interior se produce la infiltración del aluminio en la preforma. A este mol=
de
se le transmite una presión de vacío que permite verificar el sello apto pa=
ra
poder aplicar la presión p=
ositiva
que favorece la infiltración. Las espumas metálicas de celda abierta obteni=
das,
presentan una densidad relativa promedio de 0,145, resultando en un alto gr=
ado
de porosidad (85,5%). Esto podría deberse al amplio rango de tamańo de
partículas utilizado, lo cual denota que una cierta cantidad de poros tendr=
ían
ligamentos y paredes celulares más finas que otros, por tanto, requieren me=
nos
cantidad de metal.
Palabras Claves=
: <=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc440896901'>densidad relativa,
espuma metálica, <=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Time=
s New Roman",serif;
mso-ansi-language:ES-TRAD;mso-fareast-language:ES-CO'>infiltración, lixivia=
r,
preforma
Introducción=
.
Las espumas metálicas constan d=
entro
del grupo de materiales de nueva generación, son un caso especial de los só=
lidos
celulares (Báez, Hernández & Palomar, 2014). Se conocen dos tipos de es=
puma
metálica, de celda cerrada (espuma) y celda abierta (esponja) (Wang et al.,
2005). Se denominan de celdas abiertas si éstas se conectan entre sí, y cel=
das
cerradas si sucede lo contrario (Medik et al., =
2017).
Las espumas metálicas exhiben
favorables propiedades mecánicas y físicas, tales como elevada rigidez,
resistencia al impacto, y alta conductividad térmica, todo esto combinado c=
on
su baja densidad, lo cual posibilita una serie de aplicaciones (Medik et al., 2017), entre las cuales se destacan
estructuras ligeras, intercambiadores de calor, elementos de filtro,
absorbentes acústicos, elementos de rigidez, amortiguadores, compuestos de
matriz metálica, entre otras (Wang et al., 2005).
Las espumas metálicas presentan
propiedades excepcionales si se las compara a las propiedades del mismo met=
al,
pero sin poros (Michailidis, Stergioudi
& Tsipas, 2010), dichas propiedades están
directamente relacionadas con su densidad relativa y estructura del materia=
l (Michailidis et al., 2010).
Ciertos rasgos macroscópicos de=
su
estructura, tales como, tamańo de poro, tipo de celda, espesor de pared cel=
ular
y ligamentos, curvatura de paredes de celda, entre otras, marcan una
trascendental influencia sobre su comportamiento mecánico, y pueden ser
parcialmente controlados a través de procedimientos y/o técnicas que
generalmente resultan costosas y complejas
La investigación acerca de las
espumas metálicas requiere ahondar en temas referentes a la refinación de l=
os
procesos para su obtención o fabricación, lo cual implica el abaratamiento =
de
costos y acceder a un control apropiado sobre su estructura y morfología. <=
span
class=3DGramE>Además es sustancial aportar con mayor información
confiable, con respecto a la relación que existe entre las propiedades
mecánicas de las espumas y su morfología, su estructura, entre otras
Im=
portancia
del problema.
Una de las técnicas principalme=
nte
desarrolladas para obtener espumas metálicas de celda abierta se basa en
utilizar preformas removibles, de las cuales es de especial interés el méto=
do
de infiltración del metal fundido en preformas solubles (Nebreda, 2014). Es=
te método
destaca por su relativa simplicidad experimental, y porque ofrece un import=
ante
grado de control sobre la estructura de la espuma (Ban=
hart,
2000).
En lo que se refiere a material=
es y
equipos utilizados, este método resulta práctico, sencillo y económico (Rol=
dán & Ánge=
l, 2012). En la
bibliografía disponible existen varios trabajos referentes a este tema, de =
los
cuales muchos de ellos, o son demasiado resumidos, o carecen de algunas
especificaciones muy importantes, como por ejemp=
lo, la
estimación de la presión necesaria para una adecuada infiltración, entre
otros.
Por lo tanto, en este artículo =
se
presenta una descripción fundamental del procedimiento y de los principales
parámetros que involucra el método de infiltración para obtener espumas met=
álicas
de aluminio de celda abierta, para de esta manera ser un aporte y una
referencia que permita desarrollar este proceso in situ.
Metodología.
Equipos
y materiales utilizados.
El proceso a ser descrito se ba=
sa en
la infiltración de aluminio fundido alrededor de una preforma de partículas=
de
NaCl, estas partículas se disuelven mediante agua y por ende definen la
porosidad final del material (Luna et al., 2014). El esquema de=
los
equipos y materiales utilizados se muestran en la Figura 1.
Figura 1.<=
/span> Esquema de los equipos y materiales
utilizados para obtener espumas metálicas de celda abierta.
Fuente:
1.
Material para la
preforma.
Es muy importante que la prefor=
ma no
se funda durante el proceso. La preforma de NaCl (p.f<=
/span>.
801 °C) es ideal para producir espumas con metales cuyo punto de fusión est=
én
por debajo a 750° C, por tanto, el aluminio (p.f. 660
°C) se ajusta perfectamente. El NaCl es químicamente inerte en contacto con=
el
aluminio (fundido o sólido) lo cual es requerido durante el proceso (Conde et al., 2006). El NaCl se lixivia mediante agua, y no ocasiona ninguna amenaza
considerable para la salud y medio ambiente, además es poco costoso (Laughl=
in
& Hono, 2014). El tamańo de poro de la espu=
ma
será una réplica del tamańo de grano de NaCl removido, por tanto, se
seleccionan los tamices apropiados, para este caso se opta por un tamańo de
grano en el rango de 0,85 a 1,7 mm.
Al conocer la geometría del mol=
de y
el tamańo de grano de NaCl, se puede variar la cantidad de NaCl a usar para
infiltración dependiendo de la altura de espuma requerida, entre 100g y 300=
g,
para este caso se emplea 200 g (Abarca, 2017). `
2.
Fabricación de b=
arras de
aluminio que sirven para obtener los tochos de aluminio para la infiltració=
n.
Las barras cilíndricas de alumi=
nio se
obtuvieron mediante el proceso de fundición en molde cerrado de arena (Groover, 2006). Las barras produ=
cidas,
deben tener un diámetro de 50 mm, para lo cual la cavidad interna cilíndrica
del molde de arena se calcula de tal manera que se contrarreste los efectos=
de
contracción del metal durante la solidificación, para este caso dio buenos
resultados con un diámetro de 52 mm (Abarca, 2017).
3.
Preparación de l=
os
tochos de aluminio para la infiltración.
Las barras de aluminio deben ser
mecanizadas de tal manera que alcancen el diámetro deseado (50 mm) y además
adquieran un adecuado acabado superficial (Abarca, 2017). Posteriorment=
e estas
barras son seccionadas en piezas de 3 o 4 cm de longitud, dependiendo de la
cantidad de NaCl a ser infiltrado.
4.
Fabrica del molde
cilíndrico.
El material seleccionado para
fabricar el molde cilíndrico es el acero inoxidable AISI 304, puesto que su
punto de fusión (1454 °C) está muy por encima de la temperatura del proceso=
, y además
tiene una buena resistencia a la corrosión (Luna et al., 2=
014). El molde está compuesto por un tubo
cilíndrico (60x8x150mm) que se acopla mediante cuatro varillas roscadas a d=
os
placas (100x100x10mm) ranuradas superior e inferior (Figura 2).
Las
ranuras son circulares y concéntricas en las placas, sirven tanto para
acoplarse al cilindro como para alojar los anillos de grafito que permitirán
sellar y hermetizar el cilindro durante el experimento (Luna et al., 2014).
La placa superior posee un conducto (Figura 2c) que permite conectarse a un
sistema de válvulas, el cual posibilita transmitir al cilindro una presión
negativa y positiva respectivamente. La
presión negativa es requerida para verificar el sello entre las placas y el
cilindro del molde. La presión pos=
itiva
favorece que el aluminio se infiltre en los espacios intersticiales de la
preforma (Abarca, 2017).
5.&n=
bsp;
Horno mufla eléc=
trico utilizado en el proceso.
Para el proceso de infiltración=
se
utiliza un horno mufla eléctrico con control digital puesto que permite un =
alto
grado de control de la temperatura. El interior del molde debe alcanzar 740=
°C
aproximadamente, que es lo recomendado para el proceso (Luna et al., 2014). Si el procedimiento se lleva a cabo a una temperatura menor, el
aluminio podría no infiltrarse (Abarca, 2017).
6.
Bomba de vacío.
Es importante crear un vacío =
al
interior del molde con el fin de verificar el sello y la hermeticidad que p=
osee
el molde.
7.
Tanque de =
gas argon a presión.
Para generar la presión positiv=
a que
facilitará la infiltración del aluminio dentro del molde, se utiliza gas ar=
gón
(Abarca, 2017). El argón al ser un gas noble, es idóneo para el proceso
porque no reacciona con ningún otro elemento.
El oxígeno es altamente activ=
o en
superficie de muchos metales fundidos, y su presencia a niveles relativamen=
te
bajos puede producir una disminución sustancial de la tensión superficial <=
/span>(Keene, 1993),
lo cual favorecería la infiltración. La tensión superficial del aluminio
fundido expuesto a condiciones normales de ambiente se presenta en la Figur=
a 2.
Figura 2. Tensión superficial del aluminio pu=
ro.
Fuente:
Una relación matemática útil =
para
poder estimar la presión de infiltración en preformas está dada por =
(Aguilar, 2008):
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:237.75pt;heigh=
t:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:204.75pt;heigh=
t:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:193.5pt;height=
:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:237.75pt;heigh=
t:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:178.5pt;height=
:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:115.5pt;height=
:15pt'>
Tomando en cuenta que la infilt=
ración
del aluminio se llevará a 740 °C (
Este valor indica que, para una
adecuada infiltración, el gas argón debería ejercer una presión mayor a 0,1
bar.
8.
Anillos de grafito.
A partir de una lámina de grafi=
to de
2mm de espesor, se obtienen dos anillos de grafito (DE=3D60mm y DI=3D51mm),=
los
mismos deberán calzar perfectamente dentro de las ranuras de las placas del
molde cilíndrico respectivamente. Estos anillos posibilitan que el molde
cilíndrico permanezca hermético durante el experimento.
9.
Sistema de válvu=
las.
Se hará uso de un sistema compu=
esto
por tres válvulas: la válvula 1 co=
necta
o desconecta la bomba de vacío con el molde, la válvula 2 conecta o descone=
cta
el tanque de gas argón con el molde, y la válvula 3 conecta o desconecta el
molde del resto del sistema (Figura 1).
Procedimiento
para obtener espuma metálica de celda abierta (<=
/span>Luna
et al., 2014) (Abarca, 2017)<=
/span>:
1.&n=
bsp;
El procedimiento de preparación del molde cilíndrico listo
para la infiltración se muestra en la Figura 3.
2.&n=
bsp;
Acoplar el tubo que se deriva de la placa superior del mo=
lde
al sistema de válvulas. Cerrar todas las válvulas.
3.&n=
bsp;
Abrir las válvulas que conectan la bomba de vacío con el
molde (válvula 3 y válvula 1) (Figura 1). Pone=
r en
marcha la bomba hasta que el vacuómetro indique la menor presión posible, y
apagarla. Si la pérdida de vacío en el sistema es
inferior a 0,0666 Bar/s para los primeros 10 segundos después de apagar la
bomba, el sello en el molde es adecuado para la infiltración.
5.
Cerrar todas las válvulas del sistema. Abrir la válvula 2=
, la
cual conduce al cilindro de gas argón, seguidamente abrir la válvula princi=
pal
del tanque de gas argón, y fijar una presión de infiltración mayor a 0,1 ba=
r. Rápidamente, abrir la válvula 3.
6.
Después de aproximadamente 1 min, extraer el molde del ho=
rno,
y para acelerar la perdida de calor, ubicarlo sobre una superficie metálica=
.
Figura 3. (a) Placa inferior del molde
sobre las varillas roscadas. (b) Anillo de grafito dentro de la ranura de la
placa inferior. (c) Cámara cilíndrica dentro de la ranura de la placa infer=
ior.
(d) Granos de NaCl dentro del molde cilíndrico. (e) Tocho de aluminio dentro
del molde. (f) Anillo de grafito dentro de la ranura de la placa superior. =
(g)
Molde cilíndrico ensamblado completamente.
Elaborado=
por: Grupo de Inves=
tigación.
7.&n=
bsp;
Cuando el molde haya disminuido su temperatura, desconect=
ar
el sistema de válvulas, desmontar las placas del cilindro. Seguidamente extr=
aer la
muestra de espuma infiltrada obtenida y ubicarla en un recipiente con agua
expuesto a la llama, esperar hasta disolver completamente la preforma de Na=
Cl.
8.&n=
bsp;
Mediante una sierra de banda remover el excedente de alum=
inio
no infiltrado en la preforma de NaCl.
Análisis
de Resultados.
Mediante el proceso descrito, s=
e pudo
obtener un número representativo de muestras de espumas (Figura 4). Se determino su densidad relativa, la cual es considerada uno de los parámetros más important=
es, además se
calculó la
porosidad y el grado de expansión del metal base (Tabla 1). Estos parámetro=
s se
definen como (Nebreda, 2014):
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:114pt;height:1=
5pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:168.75pt;heigh=
t:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:159.75pt;heigh=
t:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:71.25pt;height=
:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:273.7pt;height=
:15pt'>
Dónde:
Figura=
4. Muestra de espuma metálica de celda abierta obtenida: a) Muestra =
sin
remover el aluminio no infiltrado. b) Muestra libre del aluminio no infiltr=
ado.
Elaborado por<=
/b>:
Grupo de Investigación.
Tabla 1. Datos de densidad relativa,
porosidad y grado de expansión de tres muestras de espuma metálica obtenidas
por el método de infiltración.
|
Muestra |
Tamańo de partícula (mm) de NaCl usado como preforma |
Densidad relativa |
Porosidad |
% Porosidad |
Grado de expansión |
% Grado de expansión |
|
|
1 |
0,85 1,7 |
0,138 |
0,862 |
86,2 |
7,246 |
724,638 |
|
|
2 |
0,85 1,7 |
0,171 |
0,829 |
82,9 |
5,848 |
584,795 |
|
|
3 |
0,85 1,7 |
0,154 |
0,846 |
84,6 |
6,494 |
649,351 |
|
|
Media |
0,154 |
Media |
84,567 |
Media |
652,928 |
||
|
Desviación estándar |
0,017 |
Desviación estándar |
1,65 |
Desviación estándar |
69,99 |
||
Elaborado por<=
/b>:
Grupo de Investigación.
Los resultados muestran que las
espumas metálicas obtenidas por infiltración, en las cuales se utilizó un
tamańo de partículas de NaCl de 0.85 1.7 mm, tienen un valor medio de
porosidad de 85.5%. Según reportes de otra investigación, para un tamańo de
partículas de NaCl en el rango de 1.4 1.7 mm, la porosidad registrada tie=
ne
un valor promedio de 63.2% (Luna
et al., 2014).
Se debe tomar en cuenta de que a menor tamańo de partículas de NaCl, se crearán p=
oros
más estrechamente espaciados, y como consecuencia sus paredes celulares y
ligamentos serán más finos (Hussain & Suffin,
2011).
Gracias a esta información la
variación observada de porosidad, podría deberse a que para la presente
investigación se utilizó un rango de partículas más amplio, es decir, se tu=
vo
una combinación de partículas más finas (0,85 1,7 mm), por tanto, una cie=
rta
cantidad de poros tendrán ligamentos y paredes celulares más finos que otro=
s,
de esta manera se requiere menos cantidad de metal, lo cual dará como resul=
tado
una menor densidad relativa, y por ende una mayor porosidad.
Conclusiones.=
ˇ =
Las espumas metálicas de celda abierta obtenidas por el
método de infiltración, presentan una densidad relativa promedio de 0,154, =
esto
significa un alto grado de porosidad (84,6%). Esto podría deberse al amplio
rango de tamańo de partículas utilizado (0.85 - 1.7 mm), lo que significa q=
ue
una cierta cantidad de poros tendrán ligamentos y paredes celulares más fin=
os
que otros, de esta manera se requiere menos cantidad de metal. La influencia
del aire dentro del molde durante el proceso, no perjudica de ninguna maner=
a la
infiltración del aluminio a través de las partículas de NaCl, más bien la
reacción con el oxígeno disminuye la tensión superficial del aluminio líqui=
do,
lo cual favorece la infiltración.
ˇ =
Es importante controlar adecuadamente la temperatura del
proceso, puesto que, si se emplea temperaturas relativamente bajas, el alum=
inio
no se funde y por tanto no existirá infiltración. En cambio, si las
temperaturas son demasiado altas, se corre un gran riesgo de fundir a las
partículas de sal con lo cual afectaría enormemente la estructura final de =
la
espuma.
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Para citar el artículo indexado.
Abarca P., Castillo M., Bravo D. & Sánchez F. (2018). Obtención de espumas metálicas de
aluminio por el método de infiltración en preformas li=
xiviables.
Revista electrónica Ciencia Digital 2(2), 348-360. Recuperado desd=
e: http://cienciadigital.org/revistacienciadigital=
2/index.php/CienciaDigital/article/view/105/98
El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta
Ciencia Digital.
=
articulo queda en propiedad de la revist=
a y,
por tanto, su publicación parcial y/o total en otro medio tiene que ser
autorizado por el director de la R=
evista
Ciencia Digital.
=
[1] Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador,
edison.abarca@espoch.edu.ec
[2] Escuela Superior Politécnica de C=
himborazo,
Chimborazo, Ecuador, edison.castillo@espoch.edu.ec
[3]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador,
victor.bravo@espoch.edu.ec
[4]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador,
esanchez_c@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org
Vol. 2, N°2, p. 34=
8-360,
Abril - Junio, 2018