Metalurgia de polvos

Este proceso, una vez obtenidos los polvos metálicos se puede resumir en tres partes principales:

1. La mezcla: Se deben mezclar los polvos metálicos con sus respectivas adiciones (dependiendo de las propiedades deseadas para la pieza terminada), creando una mezcla homogénea de ingredientes.

2. El compactado: Se compacta la mezcla obteniendo así la forma y el tamaño deseado de la pieza. Este compactado sólo requiere la suficiente cohesión para ser manejada con seguridad y transportada a la siguiente etapa.

3. El sinterizado: Se ingresan las piezas a un horno con temperatura controlada que no exceda el punto de fundición del metal base. A esta temperatura los enlaces mecánicos entre los polvos obtenidos por el compactado se transforman en enlaces metalúrgicos, dándole así sus principales propiedades de resistencia. Este procedimiento se conoce como sinterizado.

Fuera de estos tres procesos que conforman la pulvimetalurgia, se le pueden hacer a la pieza terminada todos los tratamientos térmicos y acabados necesarios para que tenga un óptimo desempeño.

Reducción a Estado Sólido (Solid State Reduction): Este proceso ha sido, por mucho tiempo el más utilizado para la producción de polvo de hierro. Materia prima seleccionada es aplastada, mezclada con carbón y pasada por un horno continuo en donde reacciona. Este proceso deja una especie de torta esponjada de hierro. Después se aplasta nuevamente, se separan los materiales no metálicos y se tamiza para producir el polvo. Debido a que no se hace ninguna refinación, la pureza del polvo es totalmente dependiente de la pureza de la materia prima. Este mismo proceso se puede utilizar para hacer polvo de cobre.

Electrólisis:

Escogiendo las condiciones apropiadas - posición y fuerza del electrolito, corriente, densidad, temperatura, etc., muchos metales pueden convertirse en polvos metálicos. Este proceso puede requerir de otros procesos (secado, aleado, lavado, etc.) para lograr las propiedades deseadas. Se usa por lo general para producir polvo de Cobre, pero también se puede utilizar para la producción de polvo de Cromo y Manganeso. Dos de las mayores cualidades de este proceso son la alta pureza y la alta densidad alcanzada en los polvos.

Atomización:

En este proceso, el metal fundido es separado en pequeñas goteras que luego son congeladas rápidamente antes de que entren en contacto entre ellas o con una superficie sólida. El principal método para desintegrar la delgada corriente de metal fundido es el de someterla al impacto de fuertes golpes de gas (se usan comúnmente Aire, Nitrógeno y Argón) o de líquido (generalmente agua). Variando diferentes parámetros del proceso se puede controlar el tamaño de las partículas.

En principio la técnica es aplicable para todos los metales que se puedan fundir pero es comercialmente utilizada para la producción de polvos de Hierro, Cobre, Aceros, Bronce, Aluminio, Plomo y Zinc.

Además de estos tres procesos, hay varios que están obteniendo una creciente aceptación, debido a sus aplicaciones. Los Procesos de Electrodo Rotatorio y Trituración Mecánica son ejemplos representativos de estos métodos.

El Proceso de Electrodo Rotatorio tiene la gran ventaja de que se puede ejecutar en envases cerrados, con atmósfera controlada e inclusive en el vacío, con esto se obtiene un polvo muy puro y limpio, además permite trabajar con metales altamente reactivos.

El Proceso de Trituración Mecánica tiene gran aplicabilidad en la producción de polvos extremadamente finos. Esto se alcanza con la pulverización mecánica en un molino de bolas. Para este proceso se acostumbra utilizar como materia prima metales que ya hallan sido pulverizados.

La finura de los polvos producidos por este método, le ha representado un incremento en su uso sobre todo para la fabricación de polvos finos para el moldeo por inyección (Método nuevo de la metalurgia de polvos).

Características de los Polvos

Los futuros procesos y el resultado final alcanzado después del sinterizado están altamente ligados con las características del polvo tales como: tamaño de las partícula, forma de las partículas, estructura y condición de la superficie. Una de las propiedades más importantes de los polvos es la Densidad Aparente; esto se debe a que la dureza alcanzada en el compactado depende directamente de la Densidad Aparente. A su vez esta característica depende de la forma y de la porosidad promedio de las partículas.

Una vez se tiene el polvo empieza el proceso de fabricación de la pieza deseada. Este proceso está compuesto por básicamente tres etapas - la mezcla, el compactado y la sinterización. Cada una de estas etapas contribuye en las características finales de la pieza.

La mezcla

En la etapa del mezclado se debe alcanzar una mezcla homogénea de los materiales y añadir el lubricante. La principal función del lubricante es la reducir la fricción entre el polvo metálico y las superficies de las herramientas utilizadas en el proceso. Además, el lubricante debe deslizarse durante la compactación, y así ayudar a conseguir una densidad uniforme en toda el compactado. De igual importancia resulta el hecho de que la reducción de fricción también ayuda a la eyección de el compactado minimizando la posibilidad de formación de grietas. Se debe tener gran cuidado en la escogencia del lubricante, debido a que una mala escogencia puede resultar en efectos adversos en las durezas del compactado antes y después de sinterizar. Otra precaución que se debe tener en esta etapa del proceso es la de no sobre mezclar. El sobre mezclar aumenta la densidad aparente de la mezcla y reduce la dureza de la pieza antes del sinterizado.

El compactado

La mezcla es introducida en un molde de acero o carburo rígido y presionada para obtener la forma deseada. La presión a la cual se somete la mezcla durante esta etapa es de 150–900 MPa. La mezcla debe ser presionada lo suficiente para que soporte la fuerza de la eyección del molde y que pueda ser movida antes del sinterizado. El compactado es una etapa muy importante ya que la forma y las propiedades mecánicas finales de la pieza están fuertemente relacionadas con la densidad al presionar. Debido a que los polvos metálicos bajo presión no se comportan como líquidos, la presión no es transmitida uniformemente por el molde y hay virtualmente cero flujo lateral. Por esto, la obtención de buenas densidades en la pieza depende en un alto grado de el diseño de la herramienta que aplica la presión. Las siguientes son consideraciones que se deben tener al diseñar una herramienta para el compactado.

• Relación entre longitud y ancho. La presión aplicada y por ende la densidad decrece a lo largo de la pieza. La compactación de doble lado (se aplica presión por los dos lados de la mezcla) mejora la distribución de la presión pero sigue dejando una región en la mitad de la pieza con menos densidad. Por esto relaciones entre largo y ancho de piezas superiores a 3:1 no son recomendadas.

• Cambios bruscos en las secciones se deben omitir, debido que producen mas estrés, lo que puede llevar a fracturas en la pieza.

• La complejidad en la forma de la pieza y el numero de operaciones de presión que se necesitan entran en juego para la velocidad en que se puede fabricar una pieza.

Prensa hidráulica utilizada para hacer la operación del compactado.

• La fricción entre los granos del polvo y las paredes del molde reduce progresivamente la transmisión de presión y por lo tanto la densidad obtenida a lo largo de la pieza. Estos efectos se pueden minimizar con la ayuda de buenos lubricantes.

• La curva de densidad vs. presión aplicada sigue una relación hiperbólica. Por esta relación se debe buscar la presión a la que la densidad es óptima ya que una mayor presión presentaría un efecto negativo en la densidad. El compactado del polvo a temperaturas normales y sin un ambiente controlado es muy útil, por su bajo costo, para la fabricación de muchas piezas; sin embargo tiene grandes limitantes en materia de la densidad del compactado. Por esta razón se han desarrollados varios métodos que mejoran esta y otras propiedades del compactado.

Compactación semi-caliente (Warm Compaction)

La compactación semi-caliente nos permite aumentar la densidad del compactado considerablemente con un costo extra muy bajo. Este método utiliza la maquinaria y el polvo metálico que se usa en el proceso convencional. Lo único que requiere es que la mezcla, el molde y toda la herramienta utilizada para la compactación sea calentada a una temperatura de 130o – 1500C. Un lubricante que permite bajar su porcentaje en peso en la mezcla a sólo 0.6 % fue desarrollado para poder realizar la compactación semi-caliente. Además existe un incremento significativo en la fuerza del compactado, reduciendo así los riesgos de daño en su manejo. Al usar este método y una vez la pieza es sinterizada la resistencia de la pieza es incrementada más o menos en un 10% y consigue un cambio dimensional casi de cero.

Presionado en Caliente (Sinterizado a presión)

A temperaturas elevadas los metales son generalmente más blandos, haciendo posible generalmente que sean compactados a una densidad mucho mayor sin necesidad de elevar la presión. Después de esta operación también es requerido el sinterizado normal debido a que este, en la mayoría de los casos mejora las propiedades de la pieza. El uso de este método se ve reducido por el alto sobre costo que demanda. Requiere moldes especiales resistentes al calor, una atmósfera controlada y las velocidades de producción se ven disminuidas significativamente. Sin embargo este método se usa para la producción de metales duros y piezas para corte hechas de diamante; estos dos materiales son costosos y por esto ameritan el tratamiento.

Tolerancias

Aunque la pieza hecha por presión puede tener una calidad de tolerancias dimensionales muy alta, estas se pueden ver afectadas por la etapa de sinterización. Una nueva etapa de compactación puede servir para mejorar los niveles de las tolerancias dimensiónales.

Fuera de las etapas del proceso normal, los tratamientos térmicos pueden llevar a drásticos cambios en las dimensiones. Por esto hay que tener conciencia, al diseñar el proceso, de los tratamientos térmicos y del uso final de la pieza.

La Sinterización

La etapa de la sinterización es clave para el proceso de la metalurgia de polvos. Es aquí en donde la pieza adquiere la resistencia y fuerza para realizar su función ingenieril para la cual se ha fabricado. El termino Sinterizado tiene la siguiente definición: ‘Es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico a una temperatura inferior a la temperatura de fusión de la base de la mezcla. Tiene el propósito de incrementar la ‘fuerza’ y las resistencias de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas’. Para describir este proceso (sin entrar en una parte técnica y química, que poco interesa en este artículo) basta con decir que ocurre una difusión atómica y las partes unidas durante el proceso de compactación se fortalecen y crecen hasta formar una pieza uniforme. Esto puede inducir a un proceso de Recristalización y a un incremento en el tamaño de los granos. Los poros tienden a volverse redondos y la porosidad en general como porcentaje del volumen total tiende a decrecer. Esta operación, casi siempre, se lleva a cabo dentro de un ambiente de atmósfera controlada y a temperaturas entre el 60 y 90% de la temperatura de fusión del mayor constituyente. Cuando hay mezcla de polvos, hay ocasiones en donde el proceso de sinterización se efectúa a una temperatura superior a la de fusión de uno de los constituyentes secundarios- como en partes estructurales de Hierro/Cobre, Carburo de Tungsteno/Cobalto, etc. Al hacer el proceso a una temperatura superior a la temperatura de fusión de un constituyente, se esta haciendo un sinterizado con presencia de fase líquida. Por esto es esencial controlar la cantidad de fase líquida que se presenta durante el proceso para poder asegurar paridad en la forma de la pieza.

Se debe llevar un control sobre la rata de calentamiento, tiempo, temperatura y atmósfera para obtener resultados que puedan ser reproducidos. El horno eléctrico se usa en la mayoría de los casos pero si se requieren temperaturas superiores (para incrementar la resistencia de las piezas) se puede variar a diferentes tipos de hornos, según la temperatura deseada. Para proceso normales se alimentan las piezas al horno en una banda hecha de alambre entrecruzado. Este alambre está hecho de una aleación Nickel/Cromo (80/20) que permite temperaturas hasta de 11500C. Para temperaturas superiores se pueden usar Carburos de Silicio que pueden operar a temperaturas hasta 13500C. Ya si son casos especiales y se necesitan temperaturas aún mayores se utilizan piezas para calentamiento hechas con Molibdeno, aunque este requiere de que sea operado en una atmósfera pura de hidrógeno.

Las atmósferas controladas son una parte esencial en casi cualquier proceso de sinterización ya que previenen la oxidación y otras reacciones que no conviene al proceso. Algunas de las atmósferas más usadas son las compuestas con hidrógeno seco o con hidrocarburos sometidos parcialmente a la combustión. Ya si se requieren usos mas especiales y que puedan soportar el incremento en el costo de la atmósfera se pueden utilizar las llamadas atmósferas sintéticas. Debido a que son producidas mezclando cuidadosamente Nitrógeno con Hidrógeno y con gas de hidrocarburos para la sinterización de aceros. Estos tipos de atmósferas tienen las ventajas de ser mucho más limpias, tener mayor adherencia al material sinterizado y un nivel muy bajo de vapor de agua.

Hay diferentes tipos de sinterizado que se pueden aplicar según sea el caso, ya sea que se requiere bajar costo, aumentar propiedades de la pieza, trabajar con un material especial, etc.

Temperaturas de Sinterizado

Materiales Grados C

Hierro / Acero 1100 - 1300

Aleaciones de aluminio 590 - 620

Cobre 750 - 1000

Latón 850 - 950

Bronce 740 - 780

Metales Duros 1200 - 1600

Sinterizado-Endurecimiento: Se hace el tratamiento térmico del sinterizado y después se somete a un bajón de temperatura rápidamente. Esto se puede realizar gracias a los avances tecnológicos que se han logrado en los hornos para sinterizado que permiten descender la temperatura a velocidades hasta de 500C/seg. El resultado de esta operación en las piezas de acero es una estructura homogénea martensítica. Además de este excelente resultado también se obtienen tolerancias dimensionales muy precisas. Estas dos propiedades adquiridas durante el proceso de Sinterización-Endurecimiento nos permiten obviar varios proceso de pos sinterización.

Sinterizado en Vació: Este tipo de sinterizado es un tipo especial de sinterizado con atmósfera controlada y desde el punto de vista científico es probablemente la mejor. El vacío, en este proceso es difícil de mantener; haciendo que el Sinterizado en vacío sea casi imposible de automatizar elevando los costos. Este proceso es estándar para algunas aplicaciones especiales y raras (aunque su número se incrementa rápidamente) que demandan el trabajo en vacío,. Se usa para Sinterizar aceros y metales de alta aleación. Como ya se mencionó anteriormente, en algunos casos es necesario hacer operaciones pos Sinterizado ya sea por pérdida o aumento de tolerancias dimensionales o porque el uso de la pieza requiere un tratamiento adicional. Discutiremos algunos de ellos a continuación.

Re-Compactar: Es casi inevitable que las piezas sufran un cambio dimensional en el sinterizado. Para contrarrestar este efecto negativo y en algunos casos para incrementar la densidad de la pieza, se usa el Re-Compactar. Como su nombre lo indica consta de volver a compactar la pieza, devolviéndole sus dimensiones iniciales y aumentando la densidad (sólo se aumenta un poco). Esta última propiedad es vital para cuando se necesitan piezas con propiedades mecánicas optimas, en estos casos también se recomienda volver a hacer un Sinterizado.

En algunos casos también se puede hacer el Re-Compactado en caliente, dándole así mas densidad lo que mejora aun más las propiedades mecánicas. Tiene el problema que su control de dimensiones finales no es bueno.

Infiltración: Este es un método para mejorar la resistencia de materiales porosos que consiste en llenar los poros superficiales con un metal líquido que tenga menor punto de fusión. No necesita presión y se usan bastante con piezas ferrosas y utilizando cobre como infiltrante. Este método también es utilizado para producir materiales compuestos con propiedades eléctricas especiales como Tungsteno/Cobre y Molibdeno/ Plata.

Impregnación: Este término es análogo al de infiltración pero en vez de llenar los poros con materiales metálicos se utilizan materiales orgánicos. El ejemplo más representativo de este procedimiento son los cojinetes impregnados con aceite.

Fuera de los ya mencionados tratamientos pos Sinterizado, se le pueden hacer a la pieza los tratamientos térmicos conocidos, tratamientos con vapor, tratamientos mecánicos, endurecimientos superficiales, etc.

Esta versatilidad para aplicar diferentes tratamientos a las piezas que salen del proceso de pulvimetalurgia le da una gran ventaja a este método de fabricación de piezas. Aunque el uso de la pulvimetalurgia tiene su mayor uso con metales comunes, también tiene aplicaciones con otros tipos de materiales.

Los metales refractarios, metales con alta temperatura de fusión, son muy difíciles de producir llevándolos a la temperatura de fusión y luego moldeándolos. Algunos de estos metales son El Tungsteno, el Molibdeno y el Tantalio. Un polvo Compactado y Sinterizado con una densidad relativa menor al 90% puede ser deformado mecánicamente a temperaturas altas pero manejables. Esto hace que se le pueda dar una orientación deseada a las microestructuras convirtiéndolo en un material denso con ductilidad hasta en temperatura ambiente. Esta propiedad sólo es alcanzable por el método de la metalurgia de polvos.

Los materiales compuestos también pueden ser fabricados por el método de la metalurgia de polvos. Algunos materiales compuestos fabricados y conformados por este métodos son:

• Materiales para contacto eléctrico tales como Cobre / Tungsteno, Plata / Óxido de Cadmio.

• Metales duros, usados para herramientas de corte y forjado de metales. Estos incluyen Ni, Ni-Co, Ni-Cr, en general superaleaciones en base de Níquel y aceros complejos.

• Herramientas de corte especial hechas de diamante dispersado en una matriz metálica.

Los materiales porosos son un gran ejemplo del para que se debe usar la pulvimetalurgia. La mayoría de los metales son porosos hasta cierto grado, esta propiedad se da en un mayor grado en las piezas hecha por la pulvimetalurgia. La porosidad puede ser regulada y calculada según el uso que tenga la pieza. Los mayores productos de este grupo de materiales son los filtros y los bujes autolubricados. Este último producto es difícilmente, sino imposible, fabricarlo por cualquier otro método de metalurgia.

Las Partes Estructurales (o Mecánicas) son por mucho el grupo más grande de materiales fabricados por este método. Estas piezas están mayormente constituidas por Hierro pero tienen además aleaciones con Cobre, Latón, Bronce y Aluminio. También se pueden fabricar piezas hechas con materiales más raros como el Titanio o Berilio. En general estas piezas no tienen mejores propiedades mecánicas que las piezas equivalentes fabricadas por otros procesos metalúrgicos. Sin embargo las piezas fabricadas por pulvimetalurgia cumplen enteramente con los requerimientos para las cuales fueron hechas. Tienen la gran ventaja de tener mejores tolerancias dimensiónales que piezas fabricadas por forjado pero en la mayoría de los casos son preferidas sobre todo por su bajo costo de producción. Recientemente y debido al crecimiento exponencial de esta industria se han dado avances importantes en el proceso que obligan a replantear la resistencia de la piezas hechas por la metalurgia de polvos. Estos adelantos han hecho posible la fabricación de partes con la pulvimetalurgia con propiedades iguales o en muchos casos superiores a piezas fabricadas por los métodos tradicionales.

Hay otros grupos de materiales como las aleaciones para alto trajín, aceros para trabajos que requieran mucha velocidad de funcionamiento y herramientas muy especializadas que también son fabricadas por este método; y gracias a él, los costos de producción se están bajando y con esto se aumenta la producción y el uso de dichas piezas.

Ventajas y limitaciones del proceso de producción por la metalurgia de los polvos

Ventajas

• La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso.  
• Porosidad controlada  
• Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad  
• Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también piezas de alta pureza.  
• No hay pérdidas de material  
• No se requieren operarios con alta capacitación  

Limitaciones  

1. Los polvos son caros y difíciles de almacenar  
2. El costo del equipo para la producción de los polvos es alto  
3. Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más económicamente  
4. Es difícil hacer productos con diseños complicados  
5. Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con los materiales de bajo punto de fusión.  
6. Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio, magnesio, zirconio y titanio.  
7.  Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.  

Algunos productos fabricados por este procedimiento

·         Filtros metálicos

·         Carburos cementados

·         Engranes y rotores para bombas

·         Escobillas para motores

·         Cojinetes porosos

·         Magnetos

·         Contactos eléctricos

Referencias

http://www.mitecnologico.com/mecatronica/Main/MetalurgiaDePolvos

http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_VIII.html#tres

Características Materiales Compuestos

Clasificación.

Existen tres tipos de materiales compuestos que son los aceptados generalmente, y son:

• Compuestos fibrosos los cuales consisten en fibras inmersas en una matriz.

• Compuestos laminados en donde se tienen varias capas de distintos materiales.

• Compuestos de partículas que son partículas diseminadas en una matriz.

Características.

Compuestos fibrosos. Las fibras de un determinado material exhiben un mejor comportamiento desde el punto de vista de la rigidez y de su resistencia, que los mismos materiales en forma maciza. Este hecho está demostrado por las fibras de vidrio que tienen una resistencia a la rotura por mucho más elevada que la del vidrio en forma de lámina.

Esto básicamente se debe a que en las fibras los cristales se alinean con el eje de la misma, a diferencia de la ubicación al azar de los cristales que se tiene en materiales macizos.

De esta forma, no solo tiene una estructura más perfecta sino que, además, en materiales con dislocaciones la cantidad de estas resulta menor.

Propiedades de las fibras: una fibra está caracterizada por su elevada relación longitud/diámetro, debiéndose tener en cuenta que este diámetro es cercano al tamaño de los cristales. En la tabla 1.1 se pueden observar la resistencia y rigidez de algunas fibras en

comparación con materiales conocidos.

Puede notarse que el peso específico juega un rol importante puesto que con la misma pueden definirse las relaciones resistencia/peso y rigidez/peso las cuales son utilizadas como indicadores de efectividad de la fibra, especialmente cuando el peso es un factor importante.

Por último cabe mencionar los whiskers en los cuales el diámetro es del orden del tamaño cristalino (5·10-3 μm) pero su relación longitud / diámetro no es tan grande como en las fibras. Los whiskers se obtienen por cristalización a escalas muy pequeñas obteniéndose estructuras cristalinas casi perfectas. Existen diversas maneras de obtener los whiskers pero estos mecanismos están ligados a la deposición en fase líquida o fase vapor o bien a la difusión en sólidos.

Propiedades de las matrices: naturalmente, las fibras no tienen aplicación práctica por si solas y deben estar aglomeradas de manera de formar un elemento estructural capaz de soportar cargas. El material aglomerante es usualmente denominado matriz. La matriz actúa como soporte y protección de las fibras a la vez que distribuye la tensión entre las mismas.

Por lo general, la resistencia y rigidez de la matriz son mucho menores que las correspondientes a la fibra. No obstante la combinación matriz-fibra nos permite obtener materiales de elevada resistencia y rigidez, manteniendo su peso relativamente bajo.

Materiales plásticos reforzados con fibras.

Estos materiales son sin duda el gran avance de los materiales compuestos, su desarrollo fue impulsado por la esperanza de obtener estructuras entre un 20% a 30% más livianas que las construidas con partes metálicas.

Fibras para materiales compuestos plásticos.

Son tres los tipos de fibra sintética, que por lo común se utilizan para reforzar los materiales plásticos: el vidrio, la aramida y el carbono. El vidrio es la más utilizada de las tres anteriores siendo, además, de bajo costo. La aramida y el carbono son fibras muy resistentes y de baja densidad, su ámbito de uso es en aplicaciones aerospaciales a pesar de su costo que es elevado.

Fibras de vidrio para el reforzado de resinas plásticas. Las fibras de vidrio se usan en el refuerzo de matrices plásticas para formar compuestos estructurados y productos moldeados.

Los materiales compuestos de plástico y fibra de vidrio tienen entre otras las siguientes características: buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional, buena resistencia al calor, al frío, y a la humedad, aislantes de la electricidad, fáciles de fabricar y relativamente baratos. Las dos clases más importantes de fibra de vidrio que se utiliza en la industria de los materiales compuestos son el vidrio E (eléctrico) y el vidrio S (estructural). El vidrio S tiene una relación resistencia/peso más alta y tiene mayor costo que el vidrio E, se utiliza fundamentalmente para aplicaciones aeroespaciales y militares.

Producción de fibra de vidrio: las fibras de vidrio se obtienen mediante el estirado de monofilamentos de vidrio que provienen de un horno que contiene vidrio fundido, reuniendo un elevado número de esos filamentos se forma un cordón de fibras de vidrio. Los cordones son posteriormente utilizados para hacer hebras de fibra de vidrio o mechas que constan de una colección de haces de filamentos continuos. Las mechas pueden darse en forma de cordones continuos o entretejidos para formar mechas urdidas. Las mallas para reforzar las fibras están hechas de cordones continuos o cortados. Dichos cordones están generalmente unidos por una sustancia resinosa. Las mallas combinadas están hechas con mechas entrelazadas, químicamente enlazadas a las mallas de cordones cortados.

En la figura 1.2 puede verse un esquema básico del proceso de fabricación de las fibras de vidrio y de los productos obtenidos a partir de ellas.

El elevado uso de las fibras de vidrio en el bobinado de filamentos se debe a su bajo costo, estabilidad dimensional, buen comportamiento frente a impactos, resistencia y módulos moderados, y facilidad de manejo.

Fibras de carbono para el reforzado de plásticos. Los materiales compuestos fabricados a base de fibras de carbono reforzando matrices resinosas de naturaleza plástica como las epoxi, se caracterizan por ser una combinación de escaso peso, alta estabilidad dimensional, conductor de la corriente, alta resistencia y tenacidad (módulo de elasticidad). Estas propiedades hacen a los materiales compuestos plásticos de fibras de carbono especialmente apropiados para aplicaciones aeroespaciales. Desafortunadamente el costo de estas fibras hace casi imposible su uso en aplicaciones más comunes como automóviles.

Producción de fibras de carbono: la fibra de carbono para estas aplicaciones proviene generalmente de dos fuentes, poliacrilonitrilo (PAN) y brea, las cuales reciben el nombre de precursores. En general, la fibra de carbono se produce a partir de fibras precursoras de PAN en tres etapas de elaboración.

La primera etapa es la fase de estabilización de las fibras de PAN, donde son estiradas para formar una malla o red fibrilar paralelamente a un eje, para luego ser oxidadas en aire a una temperatura aproximada de 200 a 220 ºC mientras se mantienen en tensión.

La segunda etapa para producir fibras de carbono de alta resistencia es la carbonización. Durante este proceso las fibras estabilizadas son calentadas hasta su transformación en fibra de carbono mediante la eliminación de O, H y N de la fibra original.

Este tratamiento se realiza generalmente en atmósfera inerte a temperatura de 1000 a 1500 ºC. Durante la carbonización se forman hebras o cintas de estructuras estratificadas como el grafito dentro de cada fibra, aumentando enormemente la resistencia a la tensión del material. La tercera etapa es el tratamiento de grafitización, se emplea si se lo desea y es un aumento del módulo de elasticidad a expensas de una alta resistencia a la tracción. La grafitización se hace a temperaturas superiores a los 1800 ºC y durante esta etapa aumenta el grado de orientación preferida de los cristales tipo grafito dentro de las fibras.

El aumento del módulo a través de una mayor temperatura de grafitización generalmente resulta en una disminución de la resistencia a la tensión y viceversa. Cuando el módulo aumenta junto con la grafitización, resulta en un aumento de conductibilidad térmica y eléctrica.

Fibras de aramida para el refuerzo de resinas plásticas. Fibra de aramida es el nombre genérico de las fibras de poliamida aromáticas. Fueron introducidas comercialmente en 1972 por Du Pont bajo el nombre comercial de kevlar. Los más conocidos son el kevlar 29 y el kevlar 49, el primero es de baja densidad, alta resistencia y alto módulo, con aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, automotriz, etc.

Producción de fibras de aramida: la unidad química que se repite en la cadena del kevlar es la de una poliamida aromática que se muestra en la figura 1.3. Esta forma provee una gran resistencia en dirección longitudinal y baja en la dirección transversal. El comportamiento de esta cadena polimérica hace que las fibras de kevlar exhiban una estructura en forma de barra. La aramida de kevlar se utiliza en materiales compuestos de elevadas prestaciones en los que son importantes un bajo peso, alta resistencia, rigidez, resistencia al dañado, resistencia a la fatiga y a la ruptura por tensión. Tienen un buen comportamiento al corte y son muy susceptibles a la humedad. Por lo general la falla de los compuestos fabricados con esta fibra no es catastrófica pues no se desarma la pieza.

Comparación de las propiedades de las fibras de carbono, aramida y vidrio para el refuerzo de materiales plásticos.

La tabla 1.2 muestra en forma comparativa algunas de las propiedades más comunes de tres fibras diferentes. Puede observarse que si bien el módulo, la resistencia y la densidad de la aramida y el carbono son mejores, la fibra de vidrio ha sido la más utilizada por su bajo costo y versatilidad.

La figura 1.4 compara los diagramas típicos esfuerzo-deformación para fibras de carbono, aramida y vidrio, pudiendo observarse que la resistencia a la tracción de las fibras varía desde 1720 a 3440 MPa, mientras el porcentaje de deformación a la fractura oscila desde el 0,4 al 4 %. El módulo de elasticidad de estas fibras oscila desde 68,9 a 413 GPa. Las fibras de carbono proporcionan la mejor combinación de alta resistencia, alta rigidez y baja densidad, pero tienen alargamientos bajos. La fibra de aramida Kevlar 49 posee una combinación de alta resistencia a la tensión, alto modulo (no tan elevado como la fibra de carbono), baja densidad y alto alargamiento (resistencia al impacto). Las fibras de vidrio poseen tensión de rotura y módulos más bajos mientras su densidad es más alta.

La figura 1.5 compara la resistencia a la tensión específica y la rigidez específica de varias fibras de refuerzo. Esta gráfica muestra los elevados cocientes resistencia a la tensión/peso y rigidez/peso de las fibras de carbono y aramida frente al acero y aluminio.

Debido a estas propiedades favorables, los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono y aramida han reemplazado a los metales en muchas aplicaciones aeroespaciales.

La figura 1.4 compara los diagramas típicos esfuerzo-deformación para fibras de carbono, aramida y vidrio, pudiendo observarse que la resistencia a la tracción de las fibras varía desde 1720 a 3440 MPa, mientras el porcentaje de deformación a la fractura oscila desde el 0,4 al 4 %. El módulo de elasticidad de estas fibras oscila desde 68,9 a 413 GPa. Las fibras de carbono proporcionan la mejor combinación de alta resistencia, alta rigidez y baja densidad, pero tienen alargamientos bajos. La fibra de aramida Kevlar 49 posee una combinación de alta resistencia a la tensión, alto modulo (no tan elevado como la fibra de carbono), baja densidad y alto alargamiento (resistencia al impacto). Las fibras de vidrio poseen tensión de rotura y módulos más bajos mientras su densidad es más alta.

La figura 1.5 compara la resistencia a la tensión específica y la rigidez específica de varias fibras de refuerzo. Esta gráfica muestra los elevados cocientes resistencia a la tensión/peso y rigidez/peso de las fibras de carbono y aramida frente al acero y aluminio.

Debido a estas propiedades favorables, los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono y aramida han reemplazado a los metales en muchas aplicaciones aeroespaciales.

Resinas reforzadas con fibras.

En los plásticos reforzados con fibras la resistencia es función del contenido de fibra en la matriz y la disposición de las fibras en la matriz. En los bobinados de filamentos se suele tener casi un 60 % de fibras en peso y como la disposición de fibras es prácticamente paralela se obtienen resistencias de tensión muy altas para el material compuesto.

Cualquier desviación del alineamiento paralelo de las fibras reduce la resistencia a la tensión mecánica del material compuesto. Por ejemplo, materiales compuestos hechos con fibra de vidrio tejida, poseen más bajas resistencias que cuando los cordones están ubicados en la misma dirección y esto se debe al entrelazamiento de las fibras. Otra configuración es cuando las fibras están dispuestas al azar, en este caso la tensión en una dirección específica es menor pero es similar en todas las direcciones.

Las resinas epoxi son, por mucho, las matrices de utilización más generalizada cuando se emplean los tres tipos de fibra, pero para determinadas aplicaciones se usan otras resinas como las poliamidas, los sulfuros de polifenileno o las polisulfonas.

Materiales compuestos híbridos.

Un compuesto reforzado con fibras relativamente nuevo lo constituye el compuesto híbrido, el cual se obtiene usando dos o más tipos de fibras diferentes en una misma matriz.

Los híbridos tienen mejores propiedades que los compuestos que contienen un solo tipo de fibra en la matriz. Un ejemplo de lo mencionado lo constituye el compuesto vidrio-carbono el cual es muy resistente a la tensión, una alta resistencia al impacto (cualidad que no presenta el carbono cuando no está combinado con fibras de vidrio) y pueden ser producidos a un bajo costo. La forma en que se presentan los híbridos son muchas, pueden ser fibras paralelas de dos o más tipos mezcladas entre sí, pueden ser tejidos donde las fibras transversales corresponden a un material y las longitudinales a otro, puede darse el caso que sea un laminado con capas alternadas de diferentes fibras, etc.

Otra ventaja que presentan estos materiales es que la falla no suele ser catastrófica. El primer elemento en fallar son las fibras de carbono y la carga se redistribuye entre las fibras de vidrio y la matriz, prácticamente la falla se da cuando colapsa la matriz.

Referencias

Smith, W. F., 1993, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, McGraw-Hill,

Inc.

Jones, R. M., 1975, Mechanics of Composite Materials, McGraw-Hill, Inc.

Peters, S. T., Humphrey, W. D. and Foral, R. F., 1991,Filament Winding Composite

Structure Fabrication, SAMPE.

www.uprm.edu/.../10%20Materiales/Compuestos%20de%20Fib... Martín S. Blank y Walter B. Castelló

A continuación se muestran unos videos donde en el primero se explica en que consisten los materiales compuestos y se dan ciertos ejemplos. En el segundo video se muestra la aplicación de los materiales compuestos en los aviones.