Capítulo 2. Materiales y Métodos
2.1 Síntesis de aleaciones formadoras de hidruro
2.2.1 Difracción de Rayos X (DRX) ... 46 2.2.2 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB)... 47 2.2.3 Espectroscopía Dispersiva de Energía(EDE) ... 49 2.3. Preparación de muestras. ... 49 2.3.1 Preparación de las aleaciones ... 49 2.3.2 Preparación del carbón teflonado ... 50 2.4 Preparación de los electrodos ... 50 2.4.1 Preparación de electrodos en pastillas ... 50 2.4.2 Preparación de electrodos de partícula única ... 51 2.5 Descripción de la celda electroquímica ... 52 2.6 Caracterización electroquímica de las aleaciones ... 54 2.6.1 Voltamperometría cíclica ... 55 2.6.2 Ciclado de carga - descarga ... 57 2.6.3 Descarga a distintos regímenes de corriente... 59 2.6.4 Espectroscopia de impedancia electroquímica ... 59 2.7. Molienda mecánica... 63
2.1. Síntesis de aleaciones formadoras de hidruro
Los materiales sintetizados en el laboratorio tienen las composiciones
LmNi4,1Co0,4Mn0,4Al0,5; Zr0,9Ti0,1NiMn0,5Cr0,25V0,25; LaNi3,6Co0,7Mn0,4Al0,3; La0,9
Ce0,1Ni3,6Co0,7Mn0,4Al0,3 y ZrTiV0,8NiCr0,52Mn0,56Co0,08Al0,04. Los materiales se elaboraron a
escala laboratorio por fusión en un horno de arco eléctrico, diseñado y fabricado en el Centro Atómico Bariloche. El horno de arco posee un electrodo no consumible de tungsteno, un crisol de cobre refrigerado indirectamente por agua y un sistema de vacío y barrido de gases mediante gas argón de alta pureza (99,999 %) que permite el control de la atmósfera de trabajo. El funcionamiento se basa en el calor suministrado por la descarga del arco eléctrico de corriente continua que se establece entre el electrodo y el material a fundir a través del plasma formado por el gas ionizado de la atmósfera de fusión.
La fuente del arco voltaico es una fuente de un equipo de soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) que se activa mediante un pulsador.
El sistema de gases dispone una bomba de vacío tipo mecánica, una conexión para tubos de argón, un manovacuómetro y un transductor de presión para bajas presiones.
Posee dos elementos móviles que se controlan desde el interior: i) la torcha central que posee el electrodo de tungsteno, la cual está refrigerada por agua, y está articulada mediante una manguera metálica flexible y ii) una espátula para manipular las muestras, que cuenta con doble cierre de vacío deslizante en el cual se mantiene un vacío dinámico para evitar la entrada de aire atmosférico.
Figura 2.1. Fotografía del horno de arco.
Manovacuómetro
Refregiración
Torcha
Figura 2.2. Fotografía del crisol con los metales a fundir.
Este tipo de hornos es adecuado para fundir metales reactivos, evitando o minimizando la contaminación con los elementos de la atmósfera y del crisol.
El crisol consiste en una pieza maciza de cobre con uno o varios socavados donde se ubican los pequeños lingotes o botones, Figura 2.2.
El procedimiento de operación utilizado fue el siguiente:
1. Verificación del estado de limpieza del horno, paredes internas, torcha, crisol, así como válvulas y sellos de vacío.
2. Colocación del crisol con los elementos a fundir en los alojamientos que el mismo tiene para ello, que consiste en uno o varios hoyos donde los pequeños lingotes resultan generalmente con forma de botón. En uno de esos hoyos se coloca también un botón de sacrificio. Este botón es un trozo de metal reactivo (Zr o Ti) que se funde antes de preparar la aleación con el objetivo de mejorar la pureza de la atmósfera dentro del horno, atrapando el oxígeno y minimizando la concentración del mismo (efecto “getter”).
3. Cierre del horno. Se reduce la presión mediante la bomba mecánica hasta alcanzar la mínima presión posible, que en este caso es del orden de 2,7 Pa.
4. Verificación de estanqueidad para detectar posibles pérdidas de vacío: dejando unos minutos el sistema estanco se registra el inevitable aumento de presión debido al desgase y a una eventual pérdida. Evaluando el flujo de gas correspondiente a ese aumento de presión P, y basado en la experiencia con dicho horno se determina si las condiciones de pérdida “virtual” son aceptables o no para realizar la fusión. En
este caso, el criterio fijado fue que la velocidad de incremento del número de moles
∆n/∆t sea menor que 0,133 Pa·dm3/s, donde ∆n/∆t está evaluado a partir de la ecuación de Boyle-Mariotte. Considerando la temperatura y la presión constantes resulta:
t
P
V
t
n
(2.1)donde V es el volumen del horno.
5. Purga con Argón. Se efectúa una o más purgas evacuando el recinto del horno y dejando entrar aproximadamente media atmósfera de presión de gas argón, y luego haciendo vacío nuevamente.
6. Se fija la presión de la atmósfera de fusión de argón. Un valor adecuado para que se establezca fácilmente la descarga es aproximadamente media atmósfera, o sea del orden de 50 kPa.
7. Pasos previos a la fundición: establecer circulación del agua de refrigeración del crisol y torcha, encendido de la fuente de corriente. Se debe utilizar elementos de protección personal: máscara y pechera de soldadura.
8. Fundición: En este paso se establece el arco eléctrico y se lo dirige primeramente al botón de sacrificio, para luego pasar a la fundición de interés. La misma se realiza moviendo constantemente la torcha en círculos sobre los elementos a fundir, para evitar fuertes calentamientos localizados. La fusión hay que hacerla a intervalos, en forma secuencial, para dar lugar al enfriamiento de las paredes del horno que se calientan por radiación. Su calentamiento excesivo no es conveniente ya que provoca un mayor desgase. Según el tamaño de la masa a fundir y su temperatura de fusión es necesario ajustar la potencia de la fuente de corriente para lograr fundir toda la masa. A su vez, dicha potencia condiciona la duración de cada intervalo de fusión y de enfriamiento. A mayor potencia se necesitan intervalos más cortos de fusión y más largos de enfriamiento.
9. Para asegurar una fundición homogénea, los botones obtenidos son dados vuelta y refundidos dos veces o más.