Estudio de viabilidad del proceso de sinterización de aleaciones de oro - plata

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(1)IQ-2008-I-1. Estudio de Viabilidad del Proceso de Sinterización de Aleaciones de Oro -Plata. GINA CLARENA AGUILAR PALOMO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA BOGOTA D.C. COLOMBIA 2008. 1.

(2) IQ-2008-I-1. Estudio de Viabilidad del Proceso de Sinterización de Aleaciones de Oro -Plata. GINA CLARENA AGUILAR PALOMO. Trabajo de Grado Ingeniería Química Asesor Pablo Ortiz Profesor Departamento de Ingeniería Química. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA BOGOTA D.C. COLOMBIA 2008. 2.

(3) IQ-2008-I-1. A mis padres Rodrigo Aguilar y Gloria Patricia Palomo. 3.

(4) IQ-2008-I-1. AGRADECIMIENTOS. Agradezco a todas las personas que hicieron crecer con su apoyo esta investigación. Mis padres y hermano Santiago Cárdenas Familias Aguilar y Palomo Pablo Ortiz. Profesor del departamento de Ingeniería química. Por su apoyo y asesoría. Pablo Obando. Restaurador del Museo del Oro. Por su apoyo e ideas. Nohora Bustamante. Banco de la Republica. Por su colaboración y enseñanza.. 4.

(5) IQ-2008-I-1. ÍNDICE 1 2 3. 4. 5. 6 7 8. RESUMEN .................................................................................................................... 7 OBJETIVOS ................................................................................................................. 8 2.1 Objetivo general .................................................................................................. 8 2.2 Objetivos específicos ........................................................................................ 8 Panorama Investigativo de Técnicas de Orfebrería Precolombinas ........... 9 3.1 Estudio de Técnicas de Orfebrería Prehispánicas .................................. 10 3.1.1 Aleación Oro y Plata ................................................................................. 10 3.1.2 Técnicas de Manufactura Precolombinas........................................... 13 3.1.3 Mecanismo de Transporte de átomos - Difusión............................. 15 3.1.4 Mecanismo de Transporte – Sinterización ......................................... 18 3.1.5 Estudio de Técnicas de Trabajo con Oro y Plata............................. 19 3.1.6 Cuantificación de la operación .............................................................. 23 Metodología Experimental .................................................................................... 25 4.1 Materiales ............................................................................................................ 25 4.2 Limpieza .............................................................................................................. 26 4.2.1 Reactivos de limpieza y procedimiento............................................... 26 4.3 Montaje ................................................................................................................ 27 4.4 Experimentación y Condiciones de Proceso ............................................ 32 4.5 Caracterización.................................................................................................. 34 RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................................... 36 5.1 Pruebas Preliminares....................................................................................... 36 5.2 Desarrollo de Sinterización ............................................................................ 38 5.2.1 Tamaño......................................................................................................... 38 5.2.2 Atmósfera .................................................................................................... 40 5.2.3 Composición............................................................................................... 41 5.2.4 Limpieza ....................................................................................................... 42 5.2.5 Arreglo .......................................................................................................... 43 5.3 Pieza de mayor tamaño ................................................................................... 46 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 47 RECOMENDACIONES............................................................................................. 47 REFERENCIAS ......................................................................................................... 48. 5.

(6) IQ-2008-I-1. ÍNDICE DE FIGURAS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24. Diagrama de Fases Au-Ag..................................................................................... 11 Microfotografias de Polvos sinterizados .......................................................... 47 Desarrollo de Cuellos ............................................................................................. 23 Perimetro Interno..................................................................................................... 23 Tipos de Probetas ................................................................................................... 25 Montaje Experimental -Grafito ............................................................................. 27 Esquema de Reservorio de Grafito..................................................................... 27 Mufla para P1 ............................................................................................................. 28 Programación Ciclo de Calentamiento.............................................................. 48 Mufla y Esquema para P2 ....................................................................................... 31 Equipos de Observación Microscópica............................................................. 35 90 – 10 % Au – Ag – Diámetro 0.5 – t= 90min – Sin Limpieza...................... 36 Composiciones en el Equilibrio........................................................................... 37 Comparación de Tamaño ...................................................................................... 38 Comprobación de Efecto - Tamaño .................................................................... 39 Comparación Tamaño – Atmósfera .................................................................... 47 Comparación de Atmósferas................................................................................ 47 Comparación de Composiciones ........................................................................ 48 Comparación de Composición ............................................................................ 47 Comparación de Limpiezas .................................................................................. 47 Compacto de Polvos............................................................................................... 48 Probeta Laminada ................................................................................................... 47 Metalografía Probeta en Atm de Control ......................................................... 47 Pieza de Mayor tamaño ........................................................................................ 47. 6.

(7) IQ-2008-I-1. 1 RESUMEN Enmarcado en el desarrollo investigativo adelantado por el Museo del Oro del Banco de la República en técnicas de manufactura de ornamentos indígenas, se profundiza en el método Sinterización, como alternativa viable, dados los recursos técnicos disponibles en la época precolombina. Se estudian las principales condiciones de operación que influyen directamente en la difusión de los átomos tales como temperatura, tiempo, composición de la aleación y tamaño, por medio de la caracterización macroscópica, microscópica y con la aplicación de un modelo matemático. Además, se analiza el efecto de la atmósfera ausente de oxigeno en el desarrollo del proceso.. 7.

(8) IQ-2008-I-1. 2 OBJETIVOS. 2.1 Objetivo general Evaluar la viabilidad del uso de la técnica de sinterización en la elaboración de piezas de orfebrería precolombina como técnica alternativa frente al desarrollo de la fusión y el martillado. 2.2 Objetivos específicos Estudiar el efecto de la composición de la aleación, la temperatura y el tiempo de proceso en la sinterabilidad de probetas de oro y plata. Elaborar una pieza de mayor tamaño a partir de láminas pequeñas, mediante la aplicación de ciclos de calor y martillado, para comprobar la viabilidad de la sinterización como técnica de orfebrería precolombina.. 8.

(9) IQ-2008-I-1. 3 PANORAMA INVESTIGATIVO DE TÉCNICAS DE ORFEBRERÍA PRECOLOMBINAS Las culturas establecidas en la época prehispánica en Colombia, específicamente la cultura Calima, muestran en la colección de piezas conservadas actualmente, su alto desarrollo en las artes de orfebrería a partir del uso de los materiales disponibles oro, plata, cobre o platino. Los estudios realizados sobre estas culturas, revelan su capacidad de obtener aleaciones de gran homogeneidad a partir de elementos de muy distintos puntos de fusión, demuestran además el manejo de tratamientos térmicos, como el temple y recocido, y la diversidad de técnicas de conformado como son cera perdida, laminación y martillado. El Museo del Oro posee la colección de arte precolombino y orfebrería más importante del país y una de las más ricas y variadas del mundo. Algunas de las piezas, son objetos de gran tamaño, elaborados principalmente en aleaciones de oro-plata, que representan pectorales, trompetas, orejeras, entre otros. Estas piezas, constituidas por láminas planas o secciones volumétricas, pueden alcanzar pesos superiores a los 300 gramos. La técnica de elaboración de artefactos de estas dimensiones es objeto de investigación en tanto que se abren varias rutas posibles: la primera de ellas, tradicionalmente aceptada, indicaría el uso de láminas de gran formato que luego se trabajan por martillado sobre un molde, alcanzando la geometría propia del objeto. Esta alternativa requiere la fundición y laminación de una gran masa de aleación que a su vez requiere de hornos con gran capacidad térmica. Dado que no existen evidencias arqueológicas sobre hornos en la zona cultural Calima, es interesante considerar otras alternativas de conformado que permitirían obtener grandes superficies a partir de la unión de varias láminas de menor tamaño. Este proceso de unión puede lograrse mediante presión y/o calor a condiciones por. 9.

(10) IQ-2008-I-1 debajo de la temperatura de fusión de la aleación, 960 – 1064°C para plata y oro, en un proceso conocido como sinterización en fase sólida. La. pieza. sería. posteriormente. homogenizada. térmicamente. y. trabajada. manualmente para lograr una apariencia monolítica y uniforme. Con el fin de reconocer este método como alternativa viable en la elaboración de estas piezas precolombinas, se emprende un estudio a través de la manufactura de modelos experimentales en condiciones similares a las prehispánicas.. 3.1 Estudio de Técnicas de Orfebrería Prehispánicas Enfocando la investigación desde una perspectiva ingenieril, en primera instancia se describirán a grandes rasgos los materiales y procesos analizados en investigaciones anteriores, junto con sus modelos matemáticos.. 3.1.1 Aleación Oro y Plata Descripción de Material El oro es un elemento metálico de estructura cristalina cúbica centrada en las caras, es decir tiene el 26% de empaque libre, su estructura es por consiguiente considerablemente densa y por lo tanto es un buen representante de los metales dúctiles, en otras palabras de baja dureza, es decir que se deja deformar sin romperse por medio de la aplicación de fuerza. Por esto es posible la aplicación de técnicas de martillado en la conformación de piezas. La aleación con plata, se hace por medio de un procedimiento de tipo sustitucional debido a la similitud de los radios atómicos, 1.4 Å. Haciendo al material más duro, pero con considerable resistencia mecánica.. 10.

(11) IQ-2008-I-1 Este tipo de aleación es muy frecuente en la elaboración de monedas, además del caso en estudio. Esta aleación baja el punto de fusión de acuerdo a la cantidad de plata implicada y como es de esperarse a su vez disminuye el consumo de energía usada. Para identificar correctamente las zonas de trabajo de acuerdo al estado de la aleación se usa su correspondiente diagrama de fases. Figura No 1. Diagrama de Fases Au-Ag. 11.

(12) IQ-2008-I-1. Oro y Plata en piezas precolombinas Los estudios en orfebrería precolombina adelantados por el Museo del Oro y sus colaboradores sobre la caracterización de piezas en cada región, muestra a la composición como variable fundamental en la identificación de técnicas de acuerdo a la región de origen, ya que es común que cada cultura desarrolle una técnica específica, que incluya desde el tipo de aleación hasta la estrategia de conformación. El análisis químico desarrollado para las piezas del área Calima, indica que la composición de Au varía entre 90 y el 91% y su complemento constituye una mezcla de Ag, Cu e impurezas, donde la plata constituye la cantidad más relevante, con un porcentaje de alrededor de 6% (ver tabla No1 Caracterización de Piezas por Composición). Esta distribución es característica del oro aluvial de esta zona del país, lo que demuestra que la manipulación del material es mínima y las aleaciones intencionales se realizan en forma poco repetitiva [1]. Tabla No 1. Caracterización de Piezas por Composición. No de Pieza 6120 6401 6400 6655 5214 5213 5917. Tipo de Objeto Diadema de lámina Collar Collar Orejeras de Carrete Platillo de Orejera Platillo de Orejera Pectoral. %Au 91 91 91 90,5 90,5 90 90. 12. %Ag 5 2 2,5 3,3 5 4,4 2,5. %Cu 3,2 5,6 5 4,9 3,6 4,4 6. %Impurezas 0,8 1,3 1,4 1,3 0,9 1,2 1,5.

(13) IQ-2008-I-1 3.1.2 Técnicas de Manufactura Precolombinas Debido al valor arqueológico de las piezas en conjunto, durante los setenta cuando se inicio el proceso de establecimiento de una metodología científica para la clasificación de las piezas resguardadas por el Museo, no se contaba con la tecnología suficiente para identificar las características de cada hallazgo y además estos no demostraban un orden cronológico de manufactura que permitiera una clasificación técnica de acuerdo al momento de desarrollo histórico. Las pruebas a realizar sobre las piezas deberían excluir aquellas en las se incluyeran cortes y por consiguiente destrucción, pero aun así, en algunas piezas incompletas se realizaron ataques químicos, logrando una clasificación que permite reconocer el trabajo y las características de los distintos grupos precolombinos. Entre las categorías establecidas se encuentran: número de catalogo, orden de clasificación, clasificación dada de acuerdo al tiempo de hallazgo, peso, ancho, alto, procedencia, análisis metalúrgico, que se divide en porcentaje de cobre y porcentaje de oro, anteriormente mencionado, color, técnicas de acabado, características morfológicas y técnicas de manufactura. Para esta última, el análisis se basó en los escritos de la época, donde los cronistas describían el tipo de herramientas usado y la forma de algunas piezas. La complejidad de las piezas muestra un alto desarrollo de los procesos de metalurgia, estos se describen a continuación con el fin de homogenizar conceptos. Repujado y martillado: Este proceso permite mediante el golpeteo modelar una pieza. Se considera un método viable de fabricación de la orfebrería antigua, ya que las piezas en estudio poseen adelgazamientos irregulares, muchas de estas son laminares y se evidencian marcas realizadas para extender su magnitud. Entre los hallazgos del museo se encuentran martillos hechos de meteorito, que soportan la descripción realizada por Gonzalo Fernández de Oviedo y Valdés, en su Historia General y Natural de las Indias, donde describían las herramientas de 13.

(14) IQ-2008-I-1 trabajo de los indígenas, tales como martillos de piedras fuertes en forma de huevos o mas grandes como queso. [2] Soldadura: Esta técnica consiste en la unión de piezas por medio de la utilización de metales puros o aleaciones de menor punto de fusión al material trabajado. Es viable ya que existen algunas piezas que por la complejidad de su estructura debieron ser añadidas para lograr las curvaturas expuestas. Los escritos del tema presentan contradicciones, luego no constituyen para este caso una base apropiada. Fundición: En este proceso se lleva el material al punto de fusión, posteriormente se introduce en un molde que le da la forma final. Los equipos con los que se desarrollo esta técnica, se mencionan con frecuencia por los escritores, que describen las hornillas de fundición, llamadas Huairas,. como vasos de barro. cocido, redondos, de un metro de alto por 4 centímetros de diámetro y con numerosos agujeros para avivar el fuego. [2] Los hallazgos de utensilios para fundición demuestran que este tipo de actividad era una de las más usadas, pero solo a pequeños niveles de fabricación, ya que por sus características de dimensiones se puede pensar. que no permitía la. elaboración de grandes piezas como pectorales. Fundición de cera perdida: Este es un método que requiere de gran habilidad manual y actualmente se utiliza en la elaboración de piezas de gran detalle. Este proceso requiere que el material a trabajar este fundido y en estado líquido. En una primera etapa se realiza la pieza a ser copiada, se genera un molde, se realiza un baño de cera que cubra el área total del molde, finalmente se añade el material fundido, el cual derrite la cera y toma la forma deseada.. 14.

(15) IQ-2008-I-1 Como ya se menciono este es un proceso de repetición y muchas de las piezas tienen similitud en la forma detallada de ornamentación. Su uso y procedimiento son descritos por Fray Bernardin de Sahún en su Historia General de la Nueva España (1558 – 1569). Estos métodos muestran sólidamente su validación para elaboración de piezas pequeñas, sin embargo las piezas de gran tamaño cubren una gran parte de los hallazgos y no concuerdan con los métodos mencionados. Como se evidencia en el escrito de Fernández de Oviedo [2], para mantener constante la temperatura de los hornos, estos poseían numerosos agujeros, pero para fundir el oro, necesitaban sopletes para mantener vivo el fuego, luego si mantener una temperatura no era una tarea facial aun en piezas pequeñas, es posible cuestionar el uso de la fusión y se puede considerar la viabilidad de otro método que implique el uso de temperaturas más bajas que el punto de fusión y además permita un fácil control, apoyándose en las herramientas en posesión, como uno de los procesos más factibles y eficientes en la elaboración de piezas grandes, a pesar de que en la mayoría de los estudios no se relacione directamente. 3.1.3 Mecanismo de Transporte de átomos - Difusión La unión de algunos metales se lleva a cabo por medio de procesos de difusión, que consiste en el flujo neto de una especie como iones, átomos, electrones o moléculas, de acuerdo a gradientes de concentración y temperatura, de un lugar a otro. Con la aplicación de temperatura la mayoría de las estructuras cristalinas se tornan inestables, de esta manera un átomo en su posición normal puede moverse a un sitio intersticial o a una vacancia vecina. Para cuantificar esta relación de temperatura con rapidez de movimiento de los átomos se usa la ecuación de Arrhenius:. 15.

(16) IQ-2008-I-1 ⎛ −Q ⎞ Rapidez = Co exp⎜ ⎟ ⎝ RT ⎠ Donde Co es una constante cal 1.978 R Constante de los gases molK T Temperatura absoluta. Ec. 1. Q Energía de activación (cal/mol) necesaria para mover un equivalente al número de Avogadro La energía de activación es la energía necesaria para que el átomo en proceso de difusión pueda oprimir o forzar a los átomos que lo rodean para alcanzar su nuevo sitio, depende de los materiales implicados y del mecanismo de difusión. Para una difusión por medio del mecanismo de difusión intersticial, flujo de un intersticio a otro, se requiere menor energía de activación que para el mecanismo de difusión de vacancias. Para el caso en estudio por ser una aleación de tipo sustitucional, la difusión se realiza por el mecanismo de vacancias, que consiste en ocupar un lugar vacío donde debería estar un átomo. Por otro lado la velocidad de difusión, variable que caracteriza la eficiencia de la difusión, se relaciona mediante la primera ley de Fick, que vincula la cantidad de átomos que atraviesan un plano por unidad de tiempo.. J = −D. dc dx. Ec. 2. Donde J es flujo de átomos (velocidad) D Coeficiente de difusión (cm2/s) dc/dx Gradiente de concentración (átomos/cm3 cm) Las variables que afectan directamente a la difusión son la temperatura y el coeficiente de difusión. ⎛ −Q ⎞ D = Do exp⎜ ⎟ ⎝ RT ⎠. 16. Ec. 3.

(17) IQ-2008-I-1. Donde Do es una constante semejante a Co y sus valores se encuentran tabulados de acuerdo a las especies en difusión. Con estas relaciones se puede intuir que a mayor temperatura mayor coeficiente de difusividad, luego mayor flujo de átomos y además mayor rapidez en la difusión. Por otro lado una energía de activación pequeña implica un D alto luego un flujo elevado y una mayor rapidez. La difusión se realiza por medio de tres diferentes mecanismos, difusión volumétrica, difusión en el límite de grano y difusión superficial. La primera consiste en el movimiento de un átomo de un sitio regular o intersticial a otro. Los átomos que realizan este tipo de difusión tienen una energía de activación elevada y por tanto la velocidad de difusión es baja. En la segunda, la difusión se realiza en la frontera de grano, donde es más fácil la abertura de caminos para llegar al lugar seleccionado. La energía de activación es baja, por consiguiente hay un mayor flujo de átomos. Por último, la difusión superficial es la que se realiza con mayor facilidad, ya que en esta zona no existen impedimentos para el movimiento de los átomos. Por otro lado, el tiempo juega un papel importante, ya que es directamente proporcional a la difusión, a mayor tiempo de operación mayor flujo de átomos. Es indispensable considerar la influencia del tipo de estructura cristalina, entre más compacta sea, mayor será la energía de activación requerida, así un metal con estructura bcc se difundirá con mayor facilidad que uno de estructura fcc. Además es indispensable tener en cuenta la fuerza de enlace de los materiales a tratar, esto se evidencia en la temperatura del punto de fusión, a mayor punto de fusión más difícil la difusión.. 17.

(18) IQ-2008-I-1 3.1.4 Mecanismo de Transporte – Sinterización La Sinterización pertenece a estos procesos de difusión, que se desarrollan gracias al flujo de átomos de acuerdo a un gradiente de concentración de moléculas y de temperatura. Este proceso se utiliza cuando el punto de fusión de los metales o cerámicos es demasiado alto. Este gradiente de concentración se genera por la cantidad de espacios libres entre los materiales cercanos. La baja temperatura con la que se lleva a cabo el proceso, sólo permite el movimiento de los átomos, a vacancias libres o a espacios intersticiales a lo largo del otro elemento, sin alcanzar la fusión del material. El proceso se lleva a cabo hasta que se reducen gradualmente estos espacios. [3] La sinterización se desarrolla tanto en fase sólida como en fase líquida. En la primera, utilizada en esta investigación, el material es compactado y unido en fase sólida en la totalidad del proceso, garantizando un trabajo a temperaturas inferiores a la temperatura de fusión. Mientras en la segunda, hay una matriz liquida presente a lo largo de la sinterización y los polvos son inmersos en ella. Al iniciar la sinterización, el movimiento de átomos se produce una densificación que pretende reducir los espacios hasta que elimina totalmente los espacios por fuerzas cohesivas entre los átomos o moléculas cercanas. Sin embargo este movimiento puede ser truncado por la aparición de óxidos superficiales, por esto las condiciones de operación del proceso deben garantizar la ausencia de elementos oxidantes.. 18.

(19) IQ-2008-I-1 Figura No 2. Microfotografias de Polvos sinterizados. Para evitar la aparición de estos óxidos, en la metalurgia de polvos actual es común el uso de atmósferas inertes, usando gases como nitrógeno, gas de mayor uso en la sinterización de aluminio, amoniaco disociado o vacío [4]. En la época precolombina, un sustituto que garantizara la ausencia de elementos oxidantes era el carbón de leña, el cual tenia una alta disponibilidad y su combustión con el aire permitía una disminución del oxigeno presente en la atmósfera.. 3.1.5 Estudio de Técnicas de Trabajo con Oro y Plata A miras de aclarar mediante elementos concretos el uso de esta técnica, se han realizado investigaciones puntuales que demuestran la aplicación de técnicas de difusión. Pero estas no demuestran un control riguroso de las variables del proceso. En la investigación de unión de metales realizada por Jo Ann Griffin [5] se comprobó que la granulación, constituía uno de los métodos más aceptables para la unión de piezas de bajo tamaño para lograr unas superiores, o para dar acabados pequeños. Este procedimiento, usado también en la época de Alejandro Magno, consiste en la unión por soldadura, sin llegar al punto de fusión, en la que se colocan partículas de metales y un pegante orgánico, este último se quema al. 19.

(20) IQ-2008-I-1 recibir calor creando una atmósfera reductora, permitiendo que se realice una difusión de átomos desde el metal de menor punto de fusión. El tiempo en el que se realizaba la unión correspondía al tiempo al cual se alcanzara un brillo característico, de conocimiento del orfebre. De esta forma es de suponer que algunas de las piezas incompletas encontradas, son el resultado de la falta de control exacta en el tiempo. Aunque en su estudio no se nombra a la sinterización de manera directa, el proceso que describe contiene una mezcla de técnicas en las que se evita el uso de la fundición por problemas de aumento de temperatura y aparición de burbujas de no homogeneidad. Por otro lado, en las piezas que se reportan, tales como “Cascos en forma de Zapato” los extremos de las laminas muestran una unión con algunos signos de pegue no uniforme, característica encontrada a nivel experimental por Pablo Obando [6] en su trabajo que se describe con más detalle posteriormente. Ahora bien es necesario mencionar que una vez fue descubierto este metal precioso, nótese que no solo en el área hispana, su uso, como el resto de metales, se atribuía únicamente a la fabricación de herramientas de caza, pero debido a la baja dureza de este, se comenzó a implementar en la elaboración de piezas de decoración personal. En un inicio solo usaron los granos tal y como eran hallados para adornar sus cuerpos, pero con el transcurrir del tiempo se inicio la implementación de técnicas de martilleo para modelar. Posteriormente se realizaron aleaciones con otros metales en los que la proporción de oro comprende de un 80 a un 90 % en peso. El punto de fusión de las diferentes aleaciones cambia de acuerdo a la concentración de oro, y por. 20.

(21) IQ-2008-I-1 consiguiente el tiempo de operación también, y como no se contaba con equipos de precisión que garantizaran las replicas idénticas de las aleaciones, algunas piezas elaboradas por fusión mostraban zonas de no homogeneidad, algunas de los segmentos con mayor punto de fusión no lograban adherirse a la pieza. Además de la no uniformidad en la unión de las piezas, cada aleación presenta un tipo de color distinto, como en la copa de oro de Olimpia estudiada por el profesor Myres del “Museum of Fine Art” en Boston, la unión se llevo a cabo, y de igual forma la pieza presenta diferentes tonalidades, esto supone que las conformación de la pieza debió hacerse utilizando martillado y calor por debajo del punto de fusión, porque de haber usado fundición la pieza tendría un color uniforme, de igual forma el tamaño de la pieza no podría haber sido logrado por este método. En el área ecuatorial, los metales más destacados fueron el oro y el platino, este último tiene un punto de fusión de 1760 ºC, temperatura que no es posible mantener con un horno de carbón. Sin embargo se hallaron más de 1000 piezas de esta aleación. Otras tienen decoraciones externas que implican el delicado trabajo con las piezas y descartan el uso de la fundición. De esta manera se plantea concretamente la utilización de sinterización como método de orfebrería antigua, al no contar con la tecnología adecuada para alcanzar las condiciones de operación de los materiales. El estudio nombrado anteriormente, realizado por el Museo del Oro del Banco de la Republica y expuesto en el articulo Consideraciones sobre la técnica de formado por martillado en algunas piezas prehispánicas, de orfebrería, provenientes del área cultural Calima, de P. Obando [6] demuestra mediante experimentación que la sinterización es un proceso viable.. 21.

(22) IQ-2008-I-1 Las pruebas que se llevan a cabo son: 1) Elaboración de una lámina de alto calibre a partir del uso de láminas de bajo calibre, por medio de sinterización. Este proceso se realiza aplicando presión con un palo de madera y calor por medio de un soplete. Como resultado se obtiene una lámina de mayor calibre, demostrando la realización de la unión. 2) Elaboración de un volumen, a partir de la sinterización de pequeños trozos de metal. Las cantidades seleccionadas de metal son presionadas por un pedazo de madera en presencia de calor. Finalmente se obtiene el volumen deseado, pero se evidencian algunas marcas de traslape del material. 3) Sinterizado a partir de gránulos. Se aplica calor a de granos de oro de 24 k y a plata ley 999 separadamente. Después de determinado tiempo los gránulos se unen. Estos resultados constituyen el punto de partida para la caracterización del estudio. A pesar que el proceso es exitoso es importante considerar que como ya se mencionó anteriormente el proceso de sinterización requiere de la aplicación de Temperatura de manera controlada y constante, lo cual es poco probable de lograr con un soplete. Por esta razón la experimentación debe realizarse en un equipo que permita un control adecuado.. 22.

(23) IQ-2008-I-1 3.1.6 Cuantificación de la operación En cuanto a modelos matemáticos desarrollados puntualmente para el caso oroplata,. es. de. vital. importancia. el. desarrollo. matemático. soportado. por. experimentación de R.M. German en su artículo Identification of the initial stage sintering mechanism using aligned wires [7]. Donde se expone un modelo matemático. Figura No 3. Desarrollo de Cuellos. para la caracterización de la sinterización que se basa en el aumento del tamaño de los cuellos formados entre cada partícula con el desarrollo del proceso, a temperatura constante y controlada e introduce la reducción de perímetro interno, (ver figura No. 4), como variable reveladora de la realización del proceso, para relacionar esta variable se monitorea la operación hasta el tiempo de establecido. Figura No 4. Perímetro Interno. Por otro lado, de acuerdo al desarrollo experimental, se muestra al tiempo como una variable determinante, directamente proporcional al desarrollo de la operación. Se expone que la manera en que se realiza el entrelazamiento, es decir la alineación de las barras, constituye un factor poco relevante, pero de especial atención. Por otro lado, muestra que la sinterización. volumétrica se favorece con el incremento del tamaño de partícula, la temperatura y el crecimiento de cuello.. 23.

(24) IQ-2008-I-1 Adicionalmente realiza pruebas con oro donde concluye que el proceso de sinterización comprende el desarrollo de los tres tipos de difusión, sin embargo los datos reportados para los coeficientes de difusividad para cada uno de los métodos, no dan seguridad sobre el desarrollo de la difusión por límite de grano. El modelo propuesto es: m ∆P = K ( Bt ) n Po. Ec. 4. Donde ∆P es la diferencia entre el perímetro de grano en el momento actual y el inicial. Po Perímetro inicial K y m Variables experimentales que varían con el mecanismo de transporte y la coordinación. B constante dependiente de la temperatura y las propiedades del material. n constante dependiente del tipo de transporte. Por medio de este estudio cuantitativo se evidencia que la sinterización es proceso viable en este tipo de materiales metálicos, pero en condiciones especificas de laboratorio, donde se garantiza un mínimo de oxigeno en la atmósfera. La reducción de Perímetro interno propuesta por German será considerada como la variable de respuesta de la sinterización.. 24.

(25) IQ-2008-I-1. 4 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 4.1 Materiales El material de trabajo fue proporcionado por el Museo del Oro del Banco de la República, en tres tipos de arreglos. El primero, A1, consiste en hilos trenzados (ver figura 4), de dos composiciones C1 y C2 y de dos diferentes diámetros D1 y D2, como se muestra a continuación. C1 90–10% Au-Ag. Composiciones, % peso:. C2 99,9% Diámetro de hilo:. Au. D1. 0,3mm. figura 5a. D2. 0,5mm. figura 5b. La fabricación de estos hilos hace parte de un proceso artesanal que inicia con la fundición del material por medio de un soplete que alcanza una temperatura aproximada de 1070ºC. Posteriormente se somete a un proceso de trabajo y calor continuos en el que se pasa el material fundido mediante una hilera que posee varios tamaños de abertura y su paso de manera descendente garantiza el tamaño deseado. Es importante aclarar que después de cada paso por la hilera es necesario recocer para evitar que el material se quiebre. El segundo arreglo, A2, consiste en el mismo arreglo A1 sometido a un proceso de laminado, en las mismas dos composiciones, figura 5c. Finalmente el tercero, A3, es un compacto de polvos de oro puro de 4mm de diámetro y 1mm de altura, figura 5d. Figura No 5. Tipos de Probetas. (a). (b). (c). 25. (d).

(26) IQ-2008-I-1 4.2 Limpieza La totalidad de las probetas, reciben un tratamiento de limpieza preliminar a la sinterización. Con este procedimiento se garantiza la no obstrucción de la difusión por impurezas de manipulación y ambiente.. 4.2.1 Reactivos de limpieza y procedimiento Bórax:. 5mL solución. Etanol:. 5mL. Acetona:. 5mL. Estos reactivos son seleccionados gracias a su poder desengrasante y uso común en el trabajo de joyería, además de la facilidad de consecución de estos en la época precolombina. El primer método, L1, usa Bórax como agente limpiador debido a su utilidad activa en detergentes, suavizantes y desinfectantes comerciales. Este se forma naturalmente en los límites de lagos estacionarios. El segundo método, L2, usa etanol y acetona, sustancias bases para limpiadores de metales. [8] Para el primer procedimiento, se prepara una solución concentrada de 3g de Boráx con 10ml de agua destilada a T=50°C. Las probetas se sumergen en la solución por unos segundos y se dejan secar lo residuos en la superficie de las probetas. Para el segundo, se inicia sumergiendo las probetas en agua destilada, y se lleva al sonicador 2min, posteriormente se pasan las muestras a en etanol y acetona, sonicando 2min para cada una. Finalmente, al igual que en el proceso anterior, se dejan secar los residuos en la superficie.. 26.

(27) IQ-2008-I-1 4.3 Montaje Para evitar la aparición de óxidos en la superficie, se prueban dos procedimientos con sus respectivos equipos y atmósferas.. Figura No.6 Montaje Experimental - Grafito. En el primer procedimiento, P1, se trabaja en atmósfera de carbono, usando un reservorio cilíndrico de grafito, (ver figuras 6 y 7), donde este último inicia un proceso de combustión al entrar en contacto con el aire produciendo CO2 y CO.. 1 C + O2 →CO Reacción 1) 2 C +O2 →CO2 Reacción 2) El desarrollo del diseño del reservorio. Figura No. 7 Esquema de Reservorio de Grafito. obedece a la necesidad de mantener en constante contacto el aire con el grafito para garantizar el proceso de combustión, la altura del recipiente garantiza la existencia de reactivos durante todo el proceso. De acuerdo con la termodinámica de estas reacciones, a medida que aumenta la temperatura de operación, por encima de los 900ºC, la cantidad producida de CO2, gas oxidante, disminuye y a su vez se favorece la producción de CO, gas no oxidante.. 27.

(28) IQ-2008-I-1 Tabla No 2. Variación de Componentes de atmósfera con la Temperatura. T (K) 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500. yCO 0,3020 0,3037 0,3568 0,3680 0,3704 0,3711 0,3713. yCO2 0,0313 0,0390 0,0083 0,0019 0,0005 0,0002 0,0001. Sumado a esto la composición de oxigeno reportada en la literatura, para este tipo de atmósfera es 1E-18, su bajo valor garantiza la no formación de óxidos superficiales en las aleaciones. [9] Este procedimiento se realiza en la mufla Thermolyne SYBRON Type 6000 con rampa controlada, con el fin de evitar los cambios térmicos agresivos en el reservorio que hagan que se quiebre, para esto se sigue la siguiente programación de calentamiento. Figura No.8 Mufla para P1. 28.

(29) IQ-2008-I-1. Figura No. 9 Programación Ciclo de Calentamiento. Rampa de Calentamiento. Temperatura (C). 1200 1000 800 600 400 200 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. tiempo (min). La primera rampa alcanza los 600 °C en 40min con una velocidad aproximada de 12 °C por minuto, la segunda llega a la temperatura por encima de 1000 °C seleccionada, a una velocidad de 10 °C por min., en este punto se deja el tiempo programado de sinterización, una vez culminado el tiempo, se deja descender la temperatura apagando la mufla, hasta alcanzar una temperatura a la cual se pueda manipular, de alrededor de 720°C. Para sacar las muestras se retira cuidadosamente la tapa y se extrae el soporte central, de este se obtiene las muestras de acuerdo a la programación. Una vez culminado este procedimiento, se vuelve a subir la temperatura hasta la programada, en aproximadamente 40 min, y se continua con el tiempo establecido. Con el fin de controlar la permanencia en la temperatura adecuada se introduce una termocupla la cual indica un diferencia entre el set point, la lectura de la mufla y ella misma de 30°C, lo que sugiere que debe existir una adecuada manipulación para alcanzar con exactitud el valor deseado. La carga de grafito se realiza en primer lugar, con una cantidad de 53,7g. Posteriormente se introducen las probetas de acuerdo al esquema de trabajo, unas en un soporte pequeño cerámico circular vertical de capacidad máxima de. 29.

(30) IQ-2008-I-1 ocho probetas o un soporte horizontal de capacidad máxima de 2 probetas, (ver figura No 7). Estos soportes a su vez se llevan al centro del reservorio de grafito. Finalmente se tapa el recipiente, hasta lograr una profundidad considerable, de alrededor de 7mm. Se lleva dentro de la fuente de calor para iniciar el proceso. En el segundo montaje, P2, se garantiza una atmósfera libre de oxigeno, usando un flujo continuo de argón que contiene 1E-04 por ciento de oxigeno [9]. Este tipo de atmósfera se prueba con el fin de comprobar la viabilidad de la sinterización en materiales como oro y por tanto solo se prueba un tiempo. A. la misma. temperatura T3. Para este montaje se usa un recipiente cerámico son capacidad máxima de seis probetas. Para este procedimiento también se programa una rampa de calentamiento, pero esta es más rápida debido a que no hay que problemas de choque térmico con el soporte. Para este montaje se usa el de Horno Tubular de atmósfera controlada, que contiene un contenedor cilíndrico de acero, que se introduce periódicamente a la mufla. Con anterioridad a este proceso, se extrae el aire contenido en el tubo y se introduce argón a presión, manteniendo un flujo constante del gas, de esta manera la probetas se encontraran rodeadas del gas evitando el contacto con aire y por consiguiente la aparición de óxidos superficiales. Es importante aclarar que las probetas se encuentran ubicadas en el extremo del tubo con el ánimo de que reciban color uniformemente. Para controlar la temperatura al igual que en el primer procedimiento, se introduce una termocupla que indica que la diferencia entre el set point, la marcación de la. 30.

(31) IQ-2008-I-1 mufla y la termocupla es de 90°C, así que para garantizar la temperatura adecuada es necesario ubicar el set point de 80-110 puntos por debajo. Para este procedimiento se usa un recipiente cerámico más pequeño que solo actúa como sujetador de las piezas. Al igual que para el primer procedimiento se programa una rampa de calentamiento pero esta es más rápida debido a que no hay problemas de choque térmico en el soporte. Figura No. 10 Mufla y Esquema para P2. Para retirar las probetas es necesario el descenso total de la temperatura. El tiempo promedio de enfriamiento hasta temperaturas manipulables es de 5horas.. 31.

(32) IQ-2008-I-1 4.4 Experimentación y Condiciones de Proceso Las variables a considerar en el desarrollo del proceso de sinterización son: Temperatura, tiempo, composición de la aleación, tamaño, procedimiento el cual incluye atmósfera, ubicación y tipo de limpieza. Ya se mencionaron con anterioridad las variaciones de composición, tamaño y tipo de limpieza, ahora es necesario tener en cuenta. la Temperatura y el tiempo. individualmente. En primer lugar, la temperatura es una variable fundamental en el desarrollo correcto del proceso, esta varía de acuerdo a la composición de la aleación. De acuerdo al diagrama de fases el punto de fusión para las composiciones a trabajar se encuentra en 1060°C, para 1atm de presión. Así que la temperatura de operación deberá encontrarse en un rango inferior a este con el fin de evitar la aparición de procesos de fusión. El rango seleccionado es de 820 a 1000ºC. En cuanto al tiempo, la calidad del desarrollo de la difusión, depende en gran medida del tiempo de exposición al calor. Con el transcurso de este, la difusión de los átomos se hace más evidente. Sin embargo su selección debe tener en cuenta los posibles intervalos de tiempo usados por los indígenas. Inicialmente se propone el esquema de proceso de la tabla 3, donde el tiempo de trabajo total es de aproximadamente de 27.5 horas, de calor continuo, que corresponde a periodos de calentamiento de t1= 30min, t2= 90min, t3=270min y t4= 990min de acuerdo al ciclo de la figura 9. La temperatura trabajada es la correspondiente al límite superior, T3= 1000ºC.. Tabla No. 3 Esquema de Trabajo Inicial. 32.

(33) IQ-2008-I-1. Ahora bien, con el fin de integrar las demás variables mencionadas se modifica el esquema de trabajo, para lograr abarcar el problema de una manera más completa. De esta forma el esquema seguido incluye dos tamaños de probeta, tres tipos de probeta, dos tipos de limpieza, dos atmósferas y dos tipos de ubicación. Se incluyen además dos tiempos que corresponde a t5=180min, t6= 120min En cuanto ubicación, atm hace referencia a la ubicación de la probeta en la parte central del reservorio de grafito y ent se refiere a una inmersión total de las probetas en grafito. Tabla No.4 Esquema Final de Trabajo. 33.

(34) IQ-2008-I-1. 4.5 Caracterización La caracterización de las probetas sometidas a prueba, se realiza en dos partes. La primera consiste en una caracterización macroscópica y manual, que somete a un esfuerzo al arreglo determinando la efectividad del proceso de acuerdo a la fuerza de unión entre las partes. La segunda parte comprende un análisis en los laboratorios del Banco de la República, en donde se pretende puntualizar en el desarrollo de cuellos, mediante un análisis metalográfico. Para el desarrollo de este análisis es necesaria una preparación de las probetas. Así que se embeben las probetas en resina Transoptic Powder de Buehler durante 10 minutos en el equipo Simplimet 2000 de la misma marca. Posteriormente se usan una serie de lijas iniciando con 240 hasta 1200, las cuales desgatan y pulen el material a medida que se recorren en el equipo Ecomet 6 de Buehler. Finalmente se llega a la obtención del brillo espejo por medio del uso de pastas de diamante de 6, 1 y 0,25 micrómetros en paños de pulido, que afinan cuidadosamente las muestras. Una vez desarrollado este proceso las probetas se someten a un ataque químico con agua regia, una solución concentrada de Ácido nítrico y Ácido clorhídrico en proporción 1 a 3 respectivamente. En este punto la micro estructura del metal es revelada.. 34.

(35) IQ-2008-I-1. Figura No. 11 Equipos de Observación Microscópica. 35.

(36) IQ-2008-I-1 5 RESULTADOS Y ANÁLISIS 5.1 Pruebas Preliminares Se realizó la prueba de sinterización inicialmente programada (ver Esquema de Trabajo inicial), trabajando en la temperatura máxima de estudio de T3, tomando muestras en intervalos de tiempo de t1,t2,t3 y t4 mediante el procedimiento P1. Al realizar la caracterización macroscópica aplicando un esfuerzo a cada uno de las probetas, se destruye el arreglo con facilidad, lo que indica que la sinterización no es adecuada. Pero con la caracterización microscópica, es posible observar algunas uniones, un poco débiles, mas no en los tres puntos de contacto en algunas probetas. En aquellas probetas que desarrollan cuellos se observa, como característica general, la aparición de porosidades en los puntos de contacto.. 0,13mm. Figura No 12. 90 – 10 % Au – Ag – Diámetro 0.5 – t= 90min – Sin Limpieza. 36.

(37) IQ-2008-I-1 Sin embargo estas uniones son muy débiles, sugiriendo que las condiciones de operación establecidas no proporcionan un buen desarrollo de la sinterización. Con el fin de identificar las causas de falla, se descarta la producción de óxidos superficiales realizando un análisis de la termodinámica de las reacciones sobre la cantidad de elementos oxidantes, a partir de las cantidades de grafito cargadas en el reservorio inicialmente. De este análisis se obtiene que a la temperatura y presión usadas la relación de CO2/CO es de 0,12 lo que indica que este tipo de procedimiento, A1, reduce los elementos oxidantes de manera considerable, donde la composición de oxigeno se encuentra en valores de 1E-18 [9]. Por lo tanto en esta atmósfera no es probable que se formen óxidos superficiales. Entonces las posibles causas de la falla del proceso, pueden recaer a la cercanía de los hilos del arreglo al inicio de la operación, a la falta de tiempo de exposición o como se verá más adelante, al tamaño de las partes a unir.. Figura No.13 Composiciones en el Equilibrio. Composición. Equilibrio Termodinamico 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 1000. O2 CO2 CO. 1100. 1200. 1300. 1400. Temperatura(C). 37. 1500. 1600.

(38) IQ-2008-I-1. 5.2 Desarrollo de Sinterización Siguiendo el esquema de trabajo final se evaluaron los diferentes efectos sobre la unión de las piezas con la variación de las condiciones mencionadas y se agruparon. los resultados con el fin de obtener análisis concretos de las. situaciones en las que se favorece la sinterización. 5.2.1 Tamaño En cuanto al tamaño se observa que para dos muestras trabajadas en las mismas condiciones de temperatura, tiempo, tipo de limpieza, tipo de arreglo, atmósfera, ubicación y composición, se evidencia la formación de cuellos fuertes en la probeta de menor diámetro. Figura No. 14 Comparación de Tamaño T=1000ºC - t = 180min - L Bórax - Hilos Trenzados – Atm Grafito – Aire - 99,9 % Au 0,25mm. 0,07mm. D2 = 0,5mm, % Reduccion = 0. D1 = 0,3mm, % Reducción = 73.13. La reducción de perímetro interno de la probeta con el menor diámetro es del 73,13%, mientras que en la de diámetro igual a 0,5mm no se evidencia una unión entre los hilos y por consiguiente el perímetro central permanece intacto, sin muestra ningún tipo de movimiento de átomos.. 38.

(39) IQ-2008-I-1 Esto indica que el tamaño es una de las variables importantes en la sinterización y demuestra que a menor tamaño hay un mejor desarrollo del proceso. Para comprobar esta hipótesis se analizan los resultados obtenidos a diferentes condiciones, en las probetas trenzadas de diámetro 0,5mm. Figura No. 15 Comprobación de Efecto - Tamaño 0,13mm. 0,13mm. 90-10 % Au - Ag - t = 90min - Sin Limpieza. 90-10 % Au - Ag - t = 990min – Sin Limpieza 0,07mm. 0,07mm. 90-10% Au - Ag - t = 270min – Sin Limpieza. 99,9 % Au - t = 30min - Sin Limpieza. De acuerdo a las microfotografias de la Figura No 15 se demuestra que bajo ninguna condición la unión, en las probetas de diámetro mayor, es suficientemente fuerte. Pero. como característica particular, muestra la aparición de porosidad en los. puntos de contacto que sugieren que para realizar correctamente el proceso es necesaria una menor distancia entre el centro de la probeta y el perímetro, donde se garantice una facilidad de difusión.. 39.

(40) IQ-2008-I-1 Finalmente, al probar diferentes atmósferas para este mismo tamaño de probeta, se observa que una vez mas la unión no es evidente, por consiguiente esta condición no es apta para la realización de la sinterización. Figura No.16 Comparación Tamaño – Atmósfera T=1000ºC - t = 180min - L Bórax - Hilos Trenzados – 99,9 % Au – Diámetro =0,5mm 0,25mm. 0,25mm. Grafito – Aire , % Reducción =0. Grafito ‐ Aire ‐ Enterrada, % Reducción =0. 0,42mm. Argón, %Reducción =0. 5.2.2 Atmósfera Ahora, enfocando el análisis hacia los efectos de las demás variables sobre el desarrollo de la sinterización en las probetas de diámetro 0,3mm, se observa que el rendimiento es superior una vez la muestra es enterrada en grafito, alcanzando una reducción de perímetro central de 95,78%. Esto demuestra que en esta ubicación se garantiza el consumo de elementos oxidantes, alcanzando el equilibrio con mayor facilidad y se da cabida a la sinterización sin ningún tipo de barrera. Figura No. 17 Comparación de Atmósferas T=1000ºC - t = 180min - L Bórax - Hilos Trenzados – 99,9 % Au – Diámetro =0,3mm 0,13mm. 0,07mm. Grafito – Aire, %Reducción = 73.13. Grafito – Aire – Ent, %Reducción = 95.78. 40. 0,13 mm. Argón, %Reducción = 74.67.

(41) IQ-2008-I-1. 5.2.3 Composición En cuanto a composición la disminución de perímetro interno observada tiene una diferencia minina de cerca del 2%, lo que indica que la sinterización se realiza con éxito sin importar la composición, siempre y cuando se garantice las condiciones de tamaño y atmósfera. Figura No. 18 Comparación de Composiciones T=1000ºC - t = 180min - L Bórax - Hilos Trenzados - Diámetro =0,3mm - Atm: Grafito -Aire 0,07mm. 0,07mm. Composición = 90 ‐10 % Au – Ag, %Reducción = 75.03. Composición = 99,9 % Au, %Reducción = 73.13. A manera de comparación, en una atmósfera de laboratorio como la de P2, tampoco es significativa la diferencia de porcentaje de reducción. Figura No. 19 Comparación de Composición T=1000ºC - t = 180min - L Bórax - Hilos Trenzados - Diámetro =0,3mm - Atm: Argón 0,13 mm. 0,13mm. Composición 90‐10 % Au – Ag, %Reducción= 73.05. Composición 99,9% Au % Reducción = 74.67. 41.

(42) IQ-2008-I-1 5.2.4 Limpieza Comparando dos probetas trabajadas a las mismas condiciones exceptuando la limpieza, se observa que existe una tendencia hacia una unión más eficiente en la pieza limpiada con bórax. La diferencia en la reducción de perímetro interno es de 15%. Sin embargo la sinterización ocurre con éxito para los dos tipos de limpieza, por lo tanto es indispensable ampliar el estudio de esta variable con el fin de descartar el uso de alguna de las dos. Figura No. 20 Comparación de Limpiezas T=1000ºC - t = 180min - Hilos Trenzados - Diámetro =0,3mm - Atm: Grafito - Aire – 99% Au. 0,07mm. 0,07mm. Bórax, % Reducción= 75.03. Etanol – Acetona, %Reducción =60.72. Soportando este análisis, la sinterización realizada sobre el compacto de polvos con limpieza L1 y enterrado, demuestra claramente una unión de las partículas, con una superficie uniforme. Figura No. 21 Compacto de Polvos T=1000ºC - t = 180min - Atm: Grafito - Aire – 99% Au 0,13mm. Compacto de Polvos ‐ Atm: Grafito – Aire ‐ Ent. 42.

(43) IQ-2008-I-1 5.2.5 Arreglo De los tres arreglos usados el más efectivo resulto ser el arreglo de hilos trenzados. Para analizar mejor el efecto del uso de trabajo sobre el desarrollo de la sinterización, es necesario continuar con la combinación de parámetros en probetas laminadas y en polvos compactos. Porque los resultados obtenidos no dan certeza de la realización exitosa de la sinterización. Figura No. 22 Probeta Laminada T=1000ºC - t = 120min - Atm: Grafito – 99% Au – L Boráx 0.13mm. 43.

(44) IQ-2008-I-1 Con este recorrido por las condiciones de operación propuestas, se comprueba que con su adecuado control es posible garantizar que el proceso de unión realizado es sinterización. Para reconocer esta afirmación se analiza la siguiente microfotografia de una probeta atacada químicamente. Figura No 23. Metalografía Probeta en Atm de Control 0,07mm. 90 – 10% - A1 – Diámetro =0,3mm. En esta se ven claramente los cristales característicos del oro y su uniformidad tanto en la unión como en el área de la probeta demuestra que el arreglo sometido a calor durante un periodo de 120min, se vuelve una sola pieza y como la temperatura de trabajo es inferior al punto de fusión, el fenómeno es sinterización. Finalmente, la tabla No. 5 Muestra una recopilación de los resultados obtenidos para todas las condiciones señaladas. Donde se puede comprobar que la sinterización se desarrolla con éxito en todas las probetas de D1, mientras que las de D1 no muestran un desarrollo secuencial ni contundente.. 44.

(45) IQ-2008-I-1. Tabla No 5. Resumen de Resultados. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26. Composición Au - Ag (%p/p) 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99 90-10 99. Diámetro de Hilo 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.3 0.3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.3 0.3 Laminada Laminada 0.5 0.5 0.3 0.3 Laminada Laminada. 27 28 29 30. 99 99 99 99. 0.3 Polvo Polvo Polvo. No Probeta. Temperatura t Aparición de Posición Limpieza Atmosfera (ºC) sinterización Cuellos Montaje 1000 - 1020 30 No Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 30 No Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 90 No Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 90 No Atmósfera Grafito no 1000 - 1020 270 No Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 270 No Atmósfera Grafito duda 1000 - 1020 990 No Atmósfera Grafito no 1000 - 1020 990 No Atmósfera Grafito no 1000 - 1020 180 Bórax Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 180 Bórax Atmósfera Grafito duda 1000 - 1020 180 Bórax Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 180 Bórax Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 180 Bórax Enterradas Grafito no 1000 - 1020 180 Bórax Enterradas Grafito si 1000 - 1020 180 anol-Aceton Atmósfera Grafito no 1000 - 1020 180 anol-Aceton Atmósfera Grafito no 1000 - 1020 180 anol-Aceton Atmósfera Grafito si 1000 - 1020 180 anol-Aceton Atmósfera Grafito si Grafito no 1000 - 1020 180 anol-Aceton Atmósfera 1000 - 1020 180 anol-Aceton Atmósfera Grafito no 1000 - 1020 120 Bórax Atmósfera Argón no 1000 - 1020 120 Bórax Atmósfera Argón no 1000 - 1020 120 Bórax Atmósfera Argón si 1000 - 1020 120 Bórax Atmósfera Argón si 1000 - 1020 120 Bórax Atmósfera Argón si 1000 - 1020 120 Bórax Atmósfera Argón si 1000 - 1020 1000 - 1020 1000 - 1020 1000 - 1020. 180 180 180 180. 45. Bórax Bórax No Bórax. Enterradas Enterradas Enterradas Enterradas. Grafito Grafito Grafito Grafito. si si si si.

(46) IQ-2008-I-1. 5.3 Pieza de mayor tamaño Con el fin de ratificar la sinterización como técnica de fabricación de piezas de gran tamaño, se caracteriza una pieza elaborada con ciclos de calor y trabajo a partir de segmentos de oro. La superficie de esta pieza es uniforme, lo que indica la efectividad del proceso. No se observan traslapes y al igual que los arreglos de hilos presenta algunas porosidades. Figura No 24. Pieza de Mayor tamaño. 0,07mm. Esto ratifica a la sinterización como método alternativo de conformación de unidades de gran tamaño, pero demuestra la necesidad de usar trabajo continuo.. 46.

(47) IQ-2008-I-1 6 CONCLUSIONES La sinterización es un proceso viable en la unión de piezas de oro y plata, siempre y cuando se trabaje con una atmósfera libre de oxigeno. El uso de materiales como el grafito, permite un acercamiento a la atmósfera indígena y garantiza el consumo de oxigeno evitando la posibilidad de formación de óxidos en la superficie y por consiguiente facilita el proceso de difusión. La realización de una limpieza previa al sometimiento a elevadas temperaturas elimina las posibles barreras que pueden generarse con la manipulación. De acuerdo a la experiencia este procedimiento es necesario para la realización correcta y evidente de la difusión. El desarrollo del proceso de sinterización en aleaciones de oro – plata y oro puro, es inversamente proporcional al tamaño de los arreglos. Entre mas pequeños son estos la sinterización es mas efectiva. La sinterización es un método viable en la conformación de piezas precolombinas, ya que aunque para este estudio no se realizó un análisis de un ornamento indígena, fue posible unir contundentemente dos unidades de menor tamaño, con bajos requerimientos de energía.. 7 RECOMENDACIONES. Con el fin de incluir este método en las técnicas de elaboración de ornamentación indígena, es necesario hacer una comparación con una pieza de colección para concluir contundentemente.. 47.

(48) IQ-2008-I-1 8 REFERENCIAS. [1] J. Perez de Barradas. (1900): Estilo Calima: obra basada en el estudio de las colecciones del Museo del Oro del Banco de la Republica / Jose Perez de Barradas. Ediciones Jura. [2] C.Plazas de Nieto. (1975): Nueva Metodología para la clasificación de la Orfebrería Prehispánica. Jorge Plazas Editor Ltda. [3] Askeland D.R. (2004): Ciencia e Ingeniería de los Materiales. International Thomson Editores. pp. 174 – 211. [4] ASM Handbook. Powder Metallurgy Vol 7. ASM International. Novena Edición. 1989. [5] J. A. Griffin. (1985): Metalurgia de América Precolombina. Banco de La República. pp. 351 [6] P. Obando. Consideraciones sobre la Técnica de formado por martillado en algunas piezas prehispánicas, de orfebrería, provenientes del área cultural Calima. Documento Interno. Museo del oro. 2007. [7] R.M. German, Z.A. Munir. Identification of the initial stage sintering mechanism using aligned wires. Journal of Materials Science, 11 (1976) 71-77. [8] CARLES CODINA. La Joyería. Ed Parranón Ediciones. 2001.. 48.

(49) IQ-2008-I-1 [9] P. ORTIZ. Estudio de la Investigación Sólido – Gas durante la Sinterización de Aceros Pulvimetalurgicos aleados con cromo. 2001. [10] National Museum Janpath (New Delhi). (1985): Prehispanic gold work of Colombia: 300 exquisite original pre-colombian works of art made of gold from 1st century a. d. to 16th century a. d. [11] C. Marguin. (1950): Estudio inicial de las colecciones del Museo del Oro del Banco de la República. Imprenta del Banco de la República. [12] BUSTAMANTE SALAZAR, Nohora, Lisette GARZÓN BONILLA, Armando BERNAL ROMERO y Carlos HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ. 2006. Tecnología del platino en la fabricación de piezas de orfebrería precolombina. Boletín Museo del Oro, N. º 54. Bogotá: Banco de la República. [13] M. Norguez, R. Gracia, G Salas, T. Robert and J. Ramirez. About the PreHispanic Au-Pt “Sintering”Technique for making alloys. Internacional journal of Powder Metallurgy. 2007. [14] H. Maryon. Archaeology and Metallurgy. I. Welding and Soldering. Man, Vol. 41. (Nov. - Dec., 1941), pp. 118-124. [15] Suk-Joong L. Kang (2005). Sintering: Densification, grain growth and Microstructure. Elsevier Butterworth-Heinemann. Burlington.. 49.

(50) IQ-2008-I-1 ANEXO 1 Desarrollo de Modelo Termodinámico Condiciones de Operación Presión de Operación (bar) Aire (mol) Composicion O2. 0.74 3.5 0.21. Composicion N2. 0.79. Vapor R (J/mol K). 0.4 8.314. Estado Inicial nCO nCO2. 0 0. nO2. 0.735. nN2. 2.765. nH2. 0. nH2O nTotal. 0.4 3.9. T (K) 700 800 900 1000. H2O -209456 -203823 -198190 -192420. dG°(mol-1) CO -174284 -182977 -191670 -200240. -384240 -381770 -377588 -395790. 1100. -187000. -209110. -395960. 1200. -181380. -217830. -396020. 1300. -175720. -226530. -396080. 1400 1500. -170020 -164310. -235130 -243740. -396130 -396160. CO2. . Equilibrio Termodinámico. Ka =. 2 CO. y ⎛ P⎞ ⎜ ⎟ yCO2 ⎝ P° ⎠. y H yCO ⎛ P ⎞ Kb = 2 ⎜ ⎟ y H 2O ⎝ P° ⎠. (ε b ) n0 + (ε a + ε b ) nH O + (− ε b ) yH O = n0 + (ε a + ε b ) yH 2 =. 2. 0. 2. yN2 =. nN 20. n0 + (ε a + ε b ). 50. yCO = yCO2 =. 2ε a + ε b n0 + (ε a + ε b ). nCO20 + (− ε a ). n0 + (ε a + ε b ).

(51) IQ-2008-I-1. Composición de Elementos en la Atmósfera T (K) 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500. H2 0.01232498 0.03015636 0.05492317 0.07637381 0.0784016 0.07908021 0.07930349 0.07938311 0.07941483. CO 0.023001855 0.12567067 0.301999775 0.303678991 0.356788292 0.367979538 0.370427091 0.371064757 0.371266984. CO2 0.179794224 0.126020683 0.031290112 0.038996279 0.008259915 0.001885092 0.000521279 0.000174665 6.73666E-05. H2O 0.08842749 0.06441661 0.02933719 0.00670041 0.00184507 0.00055775 0.00019751 8.1103E-05 3.7387E-05. Comportamiento de las sustancias con T. 51. N2 0.69645145 0.65373567 0.58244975 0.57425051 0.55470512 0.55049741 0.54955063 0.54929637 0.54921343.

(52) IQ-2008-I-1 ANEXO 2 Calculo de Porcentaje de Reducción Con el fin de cuantificar el desarrollo de la sinterización en las probetas que presentan contundentemente un desarrollo de cuellos, se aplica el modelo usado por German [7] que recurre a las ecuaciones 1 y 2. Utilizando las constantes calculadas a sus condiciones de operación como n/m = 7,7, B=0,018 y K=1. Donde se obtiene que la reducción teórica del perímetro, para un tiempo de trabajo t5=180min, debería ser del 31,61%, pero experimentalmente este perímetro interno se reduce en un rango de 60-90%. Esto demuestra que las condiciones con las que se trabajaron estas probetas son aptas para el desarrollo efectivo del proceso de unión de piezas.. Cuantificación de Proceso de Sinterización. 52.

(53)