Estudio dilatométrico de material vitreo utilizado para obtener espuma cerámica

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(1)ESTUDIO DILATOM ETRICO DE MATERIAL VITREO UTILIZADO PARA OBTENER ESP UM A CERAM ICA. OSWALDO ANDRES LOPEZ AM ELL. UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE ING ENIERIA DEPARTAM ENTO DE ING ENIERIA M ECANICA BOGOTA, D.C. 2006. 1.

(2) PROYECTO DE G RADO. ESTUDIO DILATOM ETRICO DE MATERIAL VITREO UTILIZADO PARA OBTENER ESP UM A CERAM ICA. Trabajo de Tesis Presentado al De partamento de Ingeniería Mecánica. Por : OSWALDO ANDRES LOPEZ AM ELL Asesor: Jairo A. Escobar Dr . Ing. Para opt ar al Titulo En Ingeniería Mecánica. UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE ING ENIERIA DEPARTAM ENTO DE ING ENIERIA M ECANICA 2006. 2.

(3) TABLA DE CONTENIDO LISTA DE TABLAS…………………………………………….……………………...5 LISTA DE ECUACIONES…………………………………………………………….6 LISTA DE ILUTRA CIONES...…………….……………………………….………….7 1. INTRO DUCCION ....................................................................................................9. 2. MA RCO TEORICO ...............................................................................................11 2.1 PROCESAMIENTO DE CERA MICOS ......................................................11 2.1.1 Polv os .........................................................................................................11 2.1.2 Tamaño.......................................................................................................11 2.1.3 For ma ..........................................................................................................11 2.1.4 Área Superficial .........................................................................................12 2.1.5 Empaquetamiento y Flujo........................................................................13 2.1.6 Compr esibilidad.........................................................................................14 2.2 CO MPACTA CIÓ N.........................................................................................14 2.2.1 Etapas del Pr oces o...................................................................................15 2.2.2 Etapa de Compactac ión..........................................................................16 2.3 SINTERIZACION ..........................................................................................17 2.3.1 Análisis Termodinámico ...........................................................................18 2.3.2 Mecanismos de trans por te de mas a......................................................19 2.3.3 Etapas de Sinteriz ac ión ...........................................................................20 2.4 DILATOMETRÍA ............................................................................................21 2.5 ES PUMA S CERAMICA S.............................................................................22 2.5.1 Método de Réplic a....................................................................................23 2.6 VIDRIO ( SODA LIME) ......................................................................................23. 3. METODOLOGIA Y EXPERIMENTACION ........................................................27 3.1 CA RA CTERIZA CIÓ N DE LOS POLV OS ..................................................27 3.1.1 Obtención del Polvo..................................................................................27 3.1.2 Car acterización del Polv o........................................................................28 3.2 PREPARACIÓN DE LA S MUESTRA S......................................................30 3.2.1 Compactación en frío ...............................................................................30 3.3 SINTERIZADO ..............................................................................................31 3.4 CURVAS DILATOMÉTRICAS Y CARACTERIZACIÓN PIEZA S..........33 3.4.1 Medición dimens ional de los c uer pos c ompactados ...........................33 3.4.2 Curv as Dilatométr icas ..............................................................................33 3.4.3 Car acterización Piez as ............................................................................33. 4. RESULTA DOS Y DIS CUSION ...........................................................................34 4.1 CARAC TERIZACIÓN ..........................................................................................34 4.1.1 Obtención del Polvo..................................................................................34 4.1.2 Tamaño.......................................................................................................35 4.1.3 Composic ión Química ..............................................................................36 4.1.4 Densidad Picnométr ica ............................................................................38 4.1.5 Densidad A par ente...................................................................................38 4.1.6 Densidad de Batida ..................................................................................38. 3.

(4) 4.2 CO MPACTA CIO N.........................................................................................39 4.2.1 Curv a de Compactación ..........................................................................40 4.2.2 Muestras Compac tadas ...........................................................................42 4.3 SINTERIZACION ..........................................................................................42 4.4 MEDICIO N DIMENSIONA L.........................................................................46 4.5 POROSIDAD......................................................................................................47 4.6 CURVAS DI LATOMÉTRICAS ..............................................................................48 4.6.1 Serie 1.........................................................................................................48 4.6.2 Serie 2.........................................................................................................50 5. CONCL USIONES .................................................................................................53. 6. RECOMENDA CIONES ........................................................................................54. 7. REFERENCIA S.....................................................................................................55. 8. ANEXOS.................................................................................................................57 8.1 8.2. ANEXO A ..........................................................................................................57 ANEXO B..........................................................................................................63. 4.

(5) LISTA DE TABLAS Tabla 1: Cuadr o esquemátic o utiliz ado para selecc ionar el pr oc eso requer ido en la compactación. Ref. [1]........................................................................................15 Tabla 2: Composic ión Químic a de v idr io de seguridad residual. ..........................37 Tabla 3: Composic ión Químic a de V idr io Soda Lime. Ref. [20] ............................37 Tabla 4: Tabla de temper aturas importantes del v idr io Soda Lime. Ref. [20].....37 Tabla 5: Pr esiones de compactac ió n s eleccionada par a las dos ser ies de compactados. ................................................................................................................42 Tabla 6: Temperaturas máx imas para el c iclo de sinter izac ión, para las s eries 1 y 2. ...................................................................................................................................45 Tabla 7: Var iables dimensiónales y de pes o de la serie 1.....................................46 Tabla 8: Var iables dimensionales y de peso de la s erie 2....................................47. 5.

(6) LISTA DE ECUACIONES Ec uación 1: Volumen y área de un polvo esfér ico. Ref. [2]. ..................................18 Ec uación 2: Ca mbio de v olumen como c ambio del númer o de par tículas que hay. Ω es le volumen de un átomo. Ref. [2] .............................................................18 Ec uación 3: Ecuac ión del cambio de energía ac umulada por la disminución de área y partículas. es la tensión s uperfic ial. Ref. [2] .................................................18 Ec uación 4: Ec uac ión de Arr enius. Ref. [2] ..............................................................19 Ec uación 5: Calculo de la energía de activac ión (mover par tículas) realizando un c ambio de volumen (v i volumen espec ífic o) entr e dos temper aturas T1 y T2 con R la constante de los gas es. Ref. [2]. ................................................................19. 6.

(7) LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustr ación 1: Fotografía de Tamices para la distr ibuc ió n de tamaños en polv os. Ref. [18]. .........................................................................................................................11 Ilustr ación 2: Esquema de las posibles for mas de los polv os de acuerdo al método de obtenc ión. Ref. [1] .....................................................................................12 Ilustr ación 3: Embudo de Hall, utiliz ado par a determinar las dens idades de batida, apar ente y flujo de polvos. Ref. [1]................................................................13 Ilustr ación 4: Es quema de las etapas del proc eso de compactación. Ref. [1] ..15 Ilustr ación 5: Es quema de c ompactación en una y dos direcciones . Ref. [10]...16 Ilustr ación 6: Esquema de los diversos pr ocesos para logr ar s interiz ación. Ref. [2].....................................................................................................................................17 Ilustr ación 7: Esquema de los diversos pr ocesos de tr ansporte de mas a y sus parámetr os característicos. Ref. [2]. ..........................................................................19 Ilustr ación 8: Es quema de las etapas de s interiz ación. Ref . [2]...........................20 Ilustr ación 9: Micr o estructur a en las distintas etapas de la s in teriz ación. Ref. [2] .........................................................................................................................................21 Ilustr ación 10: Dilatometr ía del cobr e par a observar la r elac ión entre ex pans ión tér mica y c ontracc ión debido a la sinter izac ión. Ref. [2]. .......................................22 Ilustr ación 11: Relac ión esquemática volumen especifico – temper atur a para líquido, v idr io y cr istal. Ref. [4]. ...................................................................................24 Ilustr ación 12: Gr áfic a de Relación Visc osidad vs Temper atur a para SiO2 y vidrio Soda Lime. ..........................................................................................................25 Ilustr ación 13: Gr áfic a V iscosidad ( Escala Logar ítmica) vs. Temperatur a para varios tipos de vidr io.....................................................................................................26 Ilustr ación 14: Foto de vidrio Res idual A glomerado................................................27 Ilustr ación 15: Fotogr af ía de molino de cilindr os, utilizado par a fracturar los aglomer ados del polv o de vidrio.................................................................................28 Ilustr ación 16: Fotografía del Tamiz ado del polvo de vidrio. .................................29 Ilustr ación 17: Fotografías de picnómetros, par a deter minar la densidad picnométric a...................................................................................................................29 Ilustr ación 18: Fotogr afía de embudo de Hall par a determinar la densidad apar ente y de batida.....................................................................................................30 Ilustr ación 19: Esquema del proc es o de c ompactación par a las piezas del polvo de vidrio Soda Lime. Ref. [1] .......................................................................................31 Ilustr ación 20: Es quema de la pieza de compactación obtenida durante la investigación. .................................................................................................................31 Ilustr ación 21: Esquema c iclo de sinter ización todas las piezas compactadas..32 Ilustr ación 22: Es quema del posic ionamiento de la ter moc upla y pieza compactada dentr o del Horno Eléctr ico. ...................................................................33 Ilustr ación 23: Fotogr afía del polv o de vidrio res id ual Soda Lime, pr ov eniente de la molienda. ..............................................................................................................35 Ilustr ación 24: Gr afic a que muestr a la distribución de tamaño del polvo de vidrio................................................................................................................................35 Ilustr ación 25: Fotogr afías del polvo de vidr io de segur idad, obs ervando el tamaño de las par tíc ulas por microscópic a óptica.100x........................................36. 7.

(8) Ilustr ación 26: Fotos del pr oc eso de compactación del polvo de v idrio de segur idad, c ompac tac ión y extr acción. .....................................................................39 Ilustr ación 27: Gr afic a que mues tra la curva de c ompac tac ión, evidenc iando el comportamiento del polvo de vidrio. ..........................................................................40 Ilustr ación 28: Gr afica c urva de c ompactac ión relacionando la densidad y la pres ión de c ompac tado del polv o de v idrio. .............................................................41 Ilustr ación 29: Fotografías de las piezas c ompac tadas a diferentes pr esiones .42 Ilustr ación 30: Fotogr afía de montaje para la medición de la temper atura durante el ciclo tér mico de las piez as de polvo de vidrio. ......................................43 Ilustr ación 31: Gr afica que relaciona el contr ol del horno eléctr ico y la medic ión de la ter mocupla tipo K. ..............................................................................................44 Ilustr ación 32: Fotogr afía que evidenc ia la expansión v olumétr ic a del polvo de vidrio a una temperatura de 680 ºC ...........................................................................44 Ilustr ación 33: Gr áfic a para el cic lo de Sinteriz ac ión de todas las piezas de vidrio de seguridad. ......................................................................................................45 Ilustr ación 34: Fotografías que indican la porosidad antes y después de la sinter ización...................................................................................................................47 Ilustr ación 35: Fotogr afías analiz adas por s oftw are de análisis de imágenes Ref. [17]. Piez a de vidr io, indicando por osidad antes y des pués de la sinter ización.100x .........................................................................................................48 Ilustr ación 36: Gr áfic a que muestr a ρ vs T de las piez as s interizadas de polvo de vidrio de segur idad res idual de la s erie 1. ...........................................................48 Ilustr ación 37: Gráfica que mues tra el ∆V vs T de las piezas de polvo de vidr io de la ser ie 1. ..................................................................................................................49 Ilustr ación 38: Gr áfic a que muestr a ρ vs T de las piez as s interizadas de polvo de vidrio de segur idad res idual de la s erie 2. ...........................................................50 Ilustr ación 39: Gráfica que mues tra el ∆V vs T de las piezas de polvo de vidr io de la ser ie 2. ..................................................................................................................51. 8.

(9) 1. INTRODUCCION. El pr ocesamiento de pr oduc tos c erámic os involucra proc es os tradicionales y técnic os. Entre es tos pr ocesos encontr amos uno que involucr a la manuf actura compactando polv os o partíc ulas en matric es que son posterior mente calentados a enor mes temperaturas para enlazar las partíc ulas entre sí. Las etapas par a el proc es o tr adic ional de mater iales cer ámicos son: preparac ión de material; moldeado o fundid o; tr atamiento tér mic o por sec ado y hor neado por calentamiento de la piez a de cerámica a temper aturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas. Con este método encontr amos muc hos pr oductos de us o c otid iano, pocillos, cer ámicos celular es, retretes, platos entre otros pr oductos. Los cer ámicos celular es son materiales de alta porosidad que c ompr enden espumas, estructuras de panal, fibr as. que han sido us adas en muc has. aplicaciones tec nológicas. Este tipo de cerámicos incluyen filtr os, membranas, aislantes tér mic os, mater iales r efractar ios , paneles estr ucturales de bajo peso, etc. Los cer ámicos celular es son utilizados por sus propiedades func ionales espec ia les, tales como baja conductiv idad tér mic a, alta per meabilidad, estabili dad a altas temperatur as, inertes químicamente, excelente resistenc ia al choque tér mico, baja constante dieléc tric a, etc. Un as pecto impor tante es la fabric ac ión de espumas c er ámic as, que contiene estructuras celular es de gran importancia para las aplicaciones anter iormente menc ionadas. Ex iste var ios métodos de fabricación de espumas, en nuestro c aso el mas relevante es el llamado Método de Réplic a, que consiste en la inmers ión de es pumas de sacrificio, usualmente poliur etano, en una s uspens ión del material v ítreo cerámic o escogido. Poster iormente se s ecan y se quema en un hor no con temperatur a contr olada, eliminando la espuma de s acrific io y dejando al material v ítreo con la forma. de s u predec esor. Con. este tipo. de. exper imentación aplic ado al v idrio s oda lime, se ha encontrado fenómenos inter esantes , sujeto de una inv estigac ión. El fenómeno de ex pansión y contracc ión volumétr ic a del vidrio es el fenómeno que se estudiará en esta oportunidad, y par a esto se nec esitar á la dilatometr ía. El estudio dilatométr ico es la ev aluación c ualitativa y cuantit ativa de un mater ial antes y después de que es sometido a tratamientos tér mic os. Este estudio se r ealiza por medio de proc esos o métodos de anális is que inv olucr an la evaluac ió n de propiedades 9.

(10) tér micas. y. mec ánic as. del. material,. que servir án par a su. posterior. proc esamiento. Las c ar acterísticas c ualitativas del material, que queremos analiz ar compr ende des de las car acterísticas del material base, en este c aso polv o de v idrio (Soda Lime) , la morfología de la estructur a, dur ante pr oc esos inter medios como el mezclado, la compactac ión del mismo ,antes y después del ciclo tér mico. Las car acter ístic as cuantitativ as ser án aquellas relac ionadas con los porcentajes de mezcla, pr esiones de c ompac tado, temperatur as, tiempos, contr acción y ex pansión v olumétr ica, a las cuales se ver án sometidas las muestr as del polvo de vidr io. Este análisis dilatométric o s e realiz a para obtener una may or apr oximac ión del c omportamiento del. material vítreo,. dentr o del cic lo de sinterización. Pr oceso importante en el c ual ayudar a a entender mejor el c ompor tamiento del material v ítreo en una de sus aplicaciones, la cual ser á la espuma v ítrea cerámic a c omo medios filtrantes . Al final del análisis obtendr emos c urvas dilatométric as, las cuales nos indic aran el comportamiento del material observ ando que pr opiedades y caracter ístic as que varían dependiendo de las tasas de calentamiento y enfriamiento. El objetivo princ ip al que s e pr etende alcanzar con e pres ente proy ecto es lograr un avance en le trabajo c on c erámic os de ingeniería y tr adic ionales en Colombia, a par tir del uso de productos del pos t-pr oces amiento de la industr ia cerámic a en Colombia, par a el aumento de conocimiento c ientífic o; esto se llevara a cabo a par tir del proceso de metalurgia de polv os y un estudio dilatométric o. Sie ndo as í, s e tiene como princ ipales objetivos específ icos de este proy ecto: • Caracter izar el polv o de vidrio de seguridad r esidual, analiz ando s u facilidad y viabilidad par a el pr ocesamiento. • Obtener y c arac ter izar c uerpos de prueba, compuesta por el material bas e. • Obtener y car acter izar el cic lo tér mico par a la s inter iz ación de los cuer pos de pr ueba. • Obtener y car acter izar las c urvas dilatométricas del polv o de vidr io Soda Lime. 10.

(11) 2. 2.1. MARCO TEO RICO. PROC ESAMIENTO DE CERAMICOS. 2.1.1 Polvos Para compr ender el método de metalurgia de polvos, o pr ocesamiento de materiales particulados, debemos partir del conocimiento de la bas e de todo este proces o, los polv os. A continuac ión se descr ibir án algunos c onc eptos y carac ter ísticas importantes par a conoc er los polvos. 2.1.2 Tamaño Debido a la diversa for ma de los polvos enc ontramos que el conc epto de tamaño se refiere a una var iable que nos indica la dimensión del polvo. Por cons iguiente no hay una técnic a de car acterización exac ta, por las diversas formas, pero existen varios métodos que podr ían entr egar un orden de magnitud para el tamaño de los polv os. La medida que se considerar ía como el tamaño del polv o, se puede realizar en una dimensión, que s er ía tomar una muestr a en el microsc opio electr ónic o y medir de for ma aleatoria los tamaños de las partíc ulas dependiendo de una regla (estándar) de medic ió n. Otro método c ons iste en pasar el polv o por una serie de tamices ( del 18 al 500 o 600) par a obtener una distr ibuc ión teór ica del tamaño de los polvos . La ilustración 1 nos muestr an los equip os necesar ios .. Ilustración 1: Fo tografía de Tamices para la distribuci ón d e tamaño s en polvo s. Ref. [18].. 2.1.3 Form a Como s e menciono existen div ers as for mas par a los polv os. Es ta div ersidad depende del método de obtención, y es muy importante c onocerlo para el posterior pr ocesamiento. Con este conocimiento s e pueden deter minar otros. 11.

(12) factor es. muy. importantes c omo el área superficial, explicando c omo. inter acc ionarían las partíc ulas. La for ma también juega un rol importante en el momento de obtener una pieza final, por que explicar ía c omo s e empaquetarían las par tíc ulas para as í observar las poros idades en la pieza final. En la ilustración 2 se ven diversas formas que se pueden obtener . La forma final depender á si los pr ocesos de obtención fuer on químic os o. mecánicos, lo que entr egar a una for ma más. exac ta (de las pres entes en la gr áfica) o irr egular.. Ilustración 2: Esq uema d e l as posibles for mas de lo s polvo s d e acu erdo al método de obten ción. Ref. [1]. 2.1.4 Área Superficial El área superficial es un de los factores de gr an importancia, debido a que es el punto de c ontacto as cerc ano entr e partíc ulas, y/o mater ial y aire. Es tos espac ios ac umulan una cantidad de ener gía asociada a la generac ión de fronteras en los polvos.. El área superficial deter mina directamente la. reac tividad de polvo, lo que conlleva que polvos muy pequeños tienen una reac tividad muy alta, por almacenar poco volumen, y aumentar mucho la superfic ie.. 12.

(13) 2.1.5 Empaquet amiento y Flujo El empaquetamiento y flujo será muy importante para el pr oceso de compactac ión de los polvos.. En el instante en que se tiene un mayor. empaquetamiento, el mater ial es tar á más or ganizado, disminuyendo las poros idades en la pieza final, aumentando y/o mejor ando. las propiedades. mecánicas. Un factor importante par a el empaquetamiento, se obs erv a reflejado en la variedad de for mas y tamaños del material, lo que incr ementa la interacción el post proc es amiento del mismo. El flujo deter mina el mov imiento y la fricc ión entre las partículas. Es un conc epto que ayuda a entender la capac idad de las par tíc ulas para reor ganiz arse y mejor ar el empaquetamiento. Para medir esto se utiliz a el embudo de Hall que mide la r ata a la que fluy e un polv o. a. trav és. de. un. or ific io. es tandar iz ado,. y. per mite. comparar. cuantitativamente el flujo.. Ilustración 3: Embudo de Hall, utilizado para deter minar l as d ensid ades de batida, apar ente y flujo de polvos. R ef. [1]. 13.

(14) 2.1.6 Com presibilidad La c ompres ibilidad es la capac idad del polvo para aumentar s u densidad dada una presión. Generalmente no s e puede llegar hasta la densidad obtenida por otr os proces os a no ser que s e r ealicen compactaciones en caliente. La c ompres ibilidad del mater ial, como se explico anterior mente, depende dir ectamente del empaquetamiento de las partículas del polvo, as í como de los ligantes o lubr icantes, de la presión, y del endur ecimiento por algún trabajo en frío anterior , junto con la durez a de los polv os obtenidos durante su manufactur a. De aquí salen las c ompactaciones (ver des) con r esis tencias que van a ser vitales para la extr acc ión y manejo de los produc tos inter medios. 2.2. COMPACTACIÓN. Este pr oceso dentro de la metalurgia de polv os tie ne una gran div ersidad técnic as para compactar. Como el proc es o de compactac ión s e basa en mejor arla distr ibuc ión de la mezc la y solidificar en verde los polv os, ex isten difer entes temperatur as con las cuales s e puede trabajar. Con esto se menc iona que enc ontr amos la compactación en frío o caliente y por otro lado la inyección. Para efectos de este estudio solo se ex plic ará compactación en frío, es utiliz ada comúnmente en el merc ado, por s u s encilla implementac ión. La compactación en frío c ons iste en la densificac ión de los polvos en una prens a mediante presión. La for ma final de la pieza es deter minada por la matr iz de la pr ensa que c ontiene la for ma que des eamos .. La téc nica de. compactac ión utilizada es la uniaxial, pero debemos anotar que ex isten la biax ial y la isostática. La designac ión involucra las direcciones en las c uales la pres ión es aplic ada. Como s e puede observar en la tabla 1 nos indica las condiciones de trabajo, la maquinar ia nec esaria de acuerdo al proces o r equer ido.. 14.

(15) Tabla 1: Cu adro esquemático utilizado para seleccionar el proceso requ erido en la co mpactaci ón. R ef. [1]. 2.2.1 Et apas del Proceso El proceso de c ompac tac ión en fr ío c ons iste en la dens if ic ación de los polv os, grac ias al movimiento relativo de las partículas, por medio de la aplicac ión de pres ión externa. Las etapas de la c ompac tac ión son: • Llenado • Pr eparación par a presión con punzones. • Compactación • Remoción de punz ones y pieza.. Ilustración 4: Esquema d e las etapas del proceso de co mpactaci ón. R ef. [1]. 15.

(16) 2.2.2 Et apa de Com pactación La for ma de compactar como se describió anter iormente es la que permite una mayor o menor homogeneidad en la piez a. Este as pec to ser á muy importante para los pr ocedimientos poster iores, por que dependiendo de la homogeneidad obtendremos la dens id ad final de la pieza, afectando la resistenc ia y el comportamiento del mater ial en el momento de la sinter izac ión. La ilustr ación 5 nos muestra la c ompactac ión en una y dos dir ecciones.. Ilustración 5: Esquema d e co mp actaci ón en un a y dos direcciones. R ef. [10]. Lo más importante en este caso de dos direcciones se obtiene un menor gradiente en las dens idades debido a un mejor movimiento relativo entr e los polv os. Este es c oncepto es el aplic ado en la prens a de compactación utiliz ado para obtener las piez as de vidr io soda lime. Como se puede observar, el coefic iente de fricción v a a ser el par ámetr o cr ítico para la c ompactac ión en el pr oc eso de reordenamiento de los polv os.. 16.

(17) 2.3. SINTERIZACION. La sinter ización es el pr oceso fís ic o-químic o mediante el cual, por medio de difer entes mec anis mos y caminos de transporte de masa, los polv os pueden unirs e y for mar una fase continua. Es. dec ir,. Los. bor des. de los. polv os. desaparec en quedando. por os.. Generalmente las uniones entre partículas tr atan de tomar for ma esférica, debido a las fuerzas superficiales, par a minimizar la energía de todo el s istema. A continuación la ilus trac ión 8 muestr a un cuadr o de los proc es os a partir del fenómeno f ísico-químico que per mite la s interización en for ma más importante, y como se puede observ ar encontramos muchas variables lo que hace que este proc es o s ea complejo y difícil de simular .. Ilustración 6: Esquema d e los diversos pro cesos p ara lograr sinterización. Ref. [2].. Para poder entender como funciona la s interiz ación, es importante hacer en primera instanc ia un rec orrido por los div ersos mecanismos de tr ansporte (de masa y de vac ancias) que están involucrados en la sinteriz ac ión. Como es de suponers e la temperatur a, pr esión y composic iones v an a s er determinantes. Ex isten 2 tipos de tr ans porte de mas a los superficiales y los de volumen o relleno. Son difer entes por los parámetros de los que depende y la geometría involucr ada.. 17.

(18) Hay parámetr os termodinámicos, y condic iones dimensiónales que ex plic aran el proc eso sinter ización, por lo cual veremos algunas ecuac iones que gobernar án es te fenómeno. 2.3.1 Análisis Termodinám ico La ec uación 1 pr esenta la geometr ía de una esfer a, que tiene asociada una ener gía por el trabajo realizado par a unir las par tículas y haber creado fronteras entre las mis mas. Esta energía se mide con la tensión superficial. Suponiendo que hay n átomos con un volumen por átomo Ω, s e puede c alcular deriv ando el cambio de área superfic ial por un cambio de volumen.. V=. π 6. D 3 , A = πD 2. Ecuaci ón 1: Volumen y área de un polvo esférico. Ref. [2].. Por lo tanto al medir el cambio de volumen tiene asociado un cambio en el número de átomos y por c ons iguiente un cambio en el área s uperfic ial, con esto tenemos la ecuac ión 2.. dV = Ωdn =. πD 2 dD 2. Ecuaci ón 2: Cambio de volumen co mo cambio del número de par tículas que hay. Ω es le volumen d e un átomo. R ef. [2]. ∆U = γ. dA dD 4γ Ω = γ 2πD = dn dn D. Ecuaci ón 3: Ecuaci ón d el cambio d e energía acumulada por la disminuci ón de ár ea y partículas.. γ. es la tensi ón superficial. Ref. [2]. El pr oces o de sinterización s e basa en agr egar ener gía tér mic a para activar los mecanis mos de tr ansporte de masa,. esto con el fin de dis minuir el área. superfic ial al unir las par tículas. El movimiento de par tíc ulas s e da grac ias a que existen v ac anc ia o c ierto número de espac ios vac íos para per mitir este movimiento en func ión de la temperatur a.. 18.

(19) La ecuac ió n de Arr enius nos relaciona la temper atur a necesar ia y a ener gía de activación par a cr ear la v acancia, la ecuac ión 4 nos muestr a esta r elación.. N = N0 e. Q KT. Ecuaci ón 4: Ecu aci ón d e Arreniu s. Ref. [2]. La s iguiente ecuación 5 nos relac iona una propiedad del mater ial, aunque podemos c alcular la por le mecánic a quántica, se puede enc ontrar por medio de un exper imento dilatometrito, donde se mide el c ambio volumétr ic o y el cambio de temperatura.. Q=. RT1T2 ⎛ v1 ⎞ ln ⎜⎜ ⎟⎟ T1 − T2 ⎝ v2 ⎠. Ecuaci ón 5: C alculo de la en ergía de activación (mover p artículas) realizando un cambio de volumen (vi volu men esp ecífico) en tre dos temper atur as T1 y T2 con R la constante de los gases. Ref. [2].. El. proces o sinteriz ación busca disminuir la energía de un sistema,. disminuy endo el ár ea superficial, que implica la unión de par tículas por le flujo de mater ia. 2.3.2 M ecanismos de transporte de masa El tr ans porte de mas a podría explicars e por medios quántic os, per o para nuestro estudio lo más importante es saber la relación entre la superfic ie y el centro de la par tícula. Por lo c ual la ilustración. 9 nos mues tra es tos. mecanis mos .. Ilustración 7: Esquema d e lo s diverso s procesos de transporte d e masa y sus parámetros caracterí stico s. Ref. [2].. 19.

(20) X distancia entre c aras. D diámetro de partíc ula de polvo. L separ ación entre partíc ulas.. E- C mec anismo. de ev aporación-condens ación.. SD difus ión. superfic ial. VD difusión v olumétr ica. PF flujo plástico. GB difus ión de frontera de granos. 2.3.3 Et apas de Sinterización Los. puntos anter ior es. entregar on la teoría de la s in teriz ación, ahora. observaremos la sinter ización de for ma aplic ada a polv os metálic os, teniendo e cuenta que podemos extr apolarlo a los materiales cerámic os. Las etapas de s in teriz ación s e difer enc ian a partir de la for ma y mecanis mos de transporte que empiez an a dominar a medida av anzamos en el pr oceso. La pr imera fas e s e obs erva que los polv os esta en c ontacto, aunque no empieza el efecto de c ontracción. En la segunda fase empiezan a activars e los mec anis mos de transporte superfic ial. Las fuerz as anter iormente menc ionadas y la tens ión superficial abren el camino par a empez ar la tercer a etapa. En esta etapa se activan los mecanis mos de tr ans porte de mas a, empieza la contr acc ión de las par tíc ulas, también encontramos la for mación de por os. Por último los poros empiezan a cerrarse y a dis persars e. Todas las etapas de sinteriz ac ión. se pueden. observar en las ilus traciones 13 y 14.. Ilustración 8: Esquema d e las etapas de sinteriz aci ón. Ref. [2]. 20.

(21) Ilustración 9: Mi cro estructura en las di stintas etapas de la sinterizaci ón. R ef. [2]. 2.4. DILATOM ETRÍA. La dilatometr ía es un estudio que inv olucr a la ev aluación cualitativ a y cuantitativa de un material antes y des pués de que es s ometido a tratamientos tér micos . Este estudio se realiza por medio de pr oc esos o métodos de análisis que involucran la evaluación de pr opiedades tér micas y mecánicas del mater ia l, que s erv irán para su poster ior pr oc esamiento. Las c ar acter ísticas cualitativ as del material, que queremos analizar c omprende desde las c arac ter ísticas del mater ial bas e, en este cas o polvo de vidr io (Soda Lime), la morfología de la estr uctura, dur ante proc es os inter medios c omo el mezclado, la compactación del mis mo ,antes y después del cic lo térmico. Las. car acter ístic as. cuantitativ as. serán aquellas. r elacionadas. c on. los. porc entajes de mezcla, pr esiones de compac tado, temper atur as, tiempos, contracc ión y ex pans ión volumétrica, a las c uales se v er án s ometidas las mues tras del polv o de vidr io . En nuestro estudio no podemos c onoc er instante a instante el pr oc eso de sinter ización del vidr io soda lime, per o podemos recurr ir a la dilatometr ía para medir el tamaño de la pieza a tr av és del tiempo.. 21.

(22) Con la ex pans ió n térmica observ amos dilatac ión en la piez a, per o en el momento en que s e activ an los mecanis mos de tr ansporte de masa se puede observar contracc ión en la piez a. La ilustr ación 15 muestr a la gráfic a típica de un es tudio dilatométric o, en este caso es de c obre, per o s e extrapola a todos los materiales.. Ilustración 10: Dilato metría del cobre p ara observar la rel ación entr e expansi ón térmica y contr acci ón debido a la sinterización. Ref. [2].. 2.5. ESPUMAS CERAM ICAS. Las es pumas c erámic as son aquellas formadas por materiales vítr eos cerámic os, en las c uales tenemos estr ucturas c elulares ( en for ma de “honeycomb”), pr is mas hexagonales entr e otras, que pueden s er abiertas o cerradas, de c uerdo al proc es amiento. Las es pumas cer ámicas s on un tipo espec ia l de pr oduc tos que pueden ser realiz ados por v ar ios métodos, y por su estr uctura complic ada pos een c aracter ístic as espec iales.. 22.

(23) Los cer ámicos celulares son utilizados por sus pr opiedades func ionales espec ia les, tales como baja conductiv idad tér mic a, alta per meabilidad, estabili dad a altas temperatur as, inertes químicamente, excelente resistenc ia al choque tér mico, baja constante dieléctrica, etc. Por ser parte de la nueva tecnología en el campo de los cerámicos y el proc esamiento de polvos cer ámicos es muy importante deter minar el método de obtención de las mismas. Se han obtenido estas estructuras a niv el mundial trabajando el método de replica, el c ual inv olucra es pumas poliméric as, s us pensión del materia vítreo, adit iv os y un poster ior tratamiento térmico. 2.5.1 M étodo de Réplica El método de réplic a inv olucr a sus pens io nes sobre for mas de sacrificio de poli estireno o poliuretano expandido. Las espumas de sacrif ic io s on inmersas por completo en la suspensión, compuesto del mater ia l v ítreo a trabajar, posterior mente se deja s e escurre par a eliminar los excesos pr es entes. Por último, se quema la es puma de s acrific io c on la s uspensión, c on el fin de eliminar la espuma de sacrific io y que le mater ial tome la for ma de la mis ma. Al utiliz ar estos polímer os se logra c ontrolar la poros id ad de una espuma sinter izada sin afectar sus propiedades mec ánic as, con el c ual s e asegur a la obtención de una estructura de poro abier to c on una interconexión entr e la totalidad de sus poros .. 2.6. VIDRIO ( Soda Lime). Se llevar á a c abo una rev isión detallada de las princ ipales carac terísticas y propiedades del vidrio soda- lime, en espec ia l en lo que se r efiere a los cambios de s us pr opiedades f ísic as en función de la temperatur a, estos conceptos permitir án llev ar a cabo poster ior mente el anális is y discusión de algunos fenómenos al s interiz ar las piez as c ompactadas de v idrio.. 23.

(24) Es un mater ia l que s e for ma por la solid ificación a partir del estado líquido de su mas a fundida; tie nen una estr uctur a amorfa independiente de la temperatur a. A temper atura de fus ión es un líquido que dur ante el enfriamiento no cr istaliz a, lo contr ario a lo que sucede con un mater ial cris talino, el cual cristaliz a a la misma temperatur a de fus ió n. En su pr oc eso de enfriamiento a medida que su temperatura va dis minuyendo no cr istaliz a s ino que su volumen espec ífico dis minuy e c on may or intensidad volviéndose cada vez más visc os o; se tr ansfor ma des de un es tado plás tico, blando y elástico a un estado quebr adizo y r ígido a partir de un mar gen reduc ido de temperatura en el cual se experimenta un c ambio br usco en el volumen espec íf ic o y coeficiente de expansión; es te margen reduc ido de temperatur a se denomina temperatura de transic ión vítr ea Tg. En cualquier punto por debajo de esta temperatura la estr uctura es inc apaz de relajarse y el c oeficiente de expans ión tér mica es pr ácticamente el mis mo que el del v idrio sólido a temper atur a ambiente. En la pr áctica se puede id entificar Tg por la intersección entre las curvas de estado sólido y la de líquido superenfriado en una gráfica de v olumen es pec íf ic o vs. Temperatura como se mues tra e la ilustración 11. [4]. Ilustración 11: Relación esquemática volumen especif ico – temperatura para líquido, vidrio y cristal. Ref . [4].. 24.

(25) La estructura pr inc ipal o for madora de vidr io la c onforma el arreglo aleatorio de tetraedr os SiO4 formados de la s ílic a SiO2 ; se encuentr an luego los óx idos modificador es, los cuales se inc or por an en la red c onformada por el SiO2 para aportar oxígenos y equilibrarla, en el vidrio Soda- Lime, los modific ador es son Na2 O y CaO. [4]. En el caso del vidr io Soda- Lime, el cual tiene una composic ión de 72% SiO2, 13%Na2 O, 8.6% CaO, 4%MgO, 0.7%Al2o3 , 0.1% Fe 2 O3 ; la incorporac ión de los modificador es Na 2 O y CaO a la red del SiO2 oc asiona una disminuc ión en la viscosidad del vidr io así c omo de s u temper atur a de fusión la cual s e muestra en la ilus trac ión 12. [20].. Ilustración 12: Gr áfi ca d e Relaci ón Viscosidad vs Temp eratur a par a Si O2 y vidrio Soda Lime.. Finalmente, cabe disc utir algunos aspectos que ser án de utilidad más adelante. En la il ustr ación 13 que r epr esenta la curv a de v iscosidad vs. Temperatura par algunos vidrios c omárcales , entre ellos v idrio s oda-lime. El punto de fus ión ( melting Point) no repr esenta una temper atura de cr istalización, s in o la temperatur a por encima de la cual el vidrio es s uficientemente fluido para ser cons ider ado un líquido. El rango de trabajo (w orking range) define el mar gen de temperatur as para llevar a cabo el confor mado de artículos de v idr io debido a que el material tiene la rigidez nec es aria par a dejarse for mar, pero al mis mo tiempo es lo suficientemente fluido para no gener ar fracturas durante el proc eso de confor mación.. 25.

(26) Mientr as el punto de reablandamiento (softening Point) define la temper atur a a la cual el vidr io c omienza a defor mars e solo por la acc ió n de su propio peso; este punto define también el comienzo del rango de trabajo del vidrio. Por otro lado, el punto de rec ocido (annealing Point) es la temper atur a a la cual se pueden r ealizar tr atamientos tér micos en el v idrio para el alivio de esfuerzos que puedan haber sido incor por ados dur ante algún pr oces o de tr ansfor mac ión prev io; mientr as que el punto elás tico (Str ain Point) define la temperatura por debajo de la cual el vidr io se comporta mecánicamente como un sólido elástico que c omo un liquido super-enfriado o v isc oso. El r ango de temperatur as definido por el punto de r ec ocido y el punto elástico es el rango de transfor mación en el cual se lleva a cabo el cambio br usco en el volumen espec ífic o y en el coefic iente de expansión tér mic a del v idr io, este rango de temperaturas contiene la temper atura de transic ión vítr ea Tg; la c ual no se define c on un valor ex acto, ya que es ta influenc iada por la tasa de enfriamiento del vidr io. La ilustr ación 13 no muestr a todos los puntos anter ior mente mencionados.. Ilustración 13: Gráfi ca Viscosid ad (Escala Log arítmica) vs. Temperatura p ara varios tipos de vidrio.. 26.

(27) 3. METODOLOGIA Y EXP ERIM ENTACION. La siguiente etapa presenta todas las ac tividades que se r ealiz aron para identificar, car acter izar y procesar el polvo de vidr io r es idual. En la primera etapa se decidió encontr ar algunas propiedades del polvo de v idr io, tales c omo las dens idades, la c ompos ición química, for ma, entre otras, ac udiendo a princ ipios físicos c omo la molienda, tamizado, es pectroscopia, SEM. En la segunda etapa s e realizaron algunas. mediciones. para c omprender el. comportamiento del material en la compactac ió n uniax ial y bidir ecc ional. En la última etapa se r ealiz aron pruebas dimensionales, medic ión de propiedades físicas, y la obtenc ión de las grafic as que ayudar an a entender el fenómeno físico objeto de esta investigación.. 3.1. CARACTERIZACIÓN DE LOS POLV OS. 3.1.1 Obtención del Polvo Para empez ar el desarrollo de esta inv estigac ión, se inició por la obtenc ión del polv o de v idr io residual. El material fue apor tado por la compañía A GP (Vladimir Bocanegr a), el c ual pr ovenía del res iduo del pr ocesamiento de vidr ios de s eguridad con herr amientas rec ubiertas de diamante. El material se encontr aba aglomerado, de for mas irregulares y sólidas, c omo en la Ilus trac ión 14.. Ilustración 14: Foto d e vidrio Residual Aglo merado.. 27.

(28) El procedimiento físic o en esta etapa, se bas ó en la molienda del aglomer ado en un molino de cilindr os. Es te molino de cilindr os lo enc ontr amos en los laborator ios del CITEC, se puede obs ervar en la ilustr ación 15, consta de un recipiente cerámico, cilindros cerámicos, y el equipo que permite la r otación del recipiente.. Ilustración 15: Fotogr afía de molino de cilindros, utilizado p ara fracturar lo s aglo mer ado s del polvo de vidrio.. Los par ámetr os que gober nar on este pr oc edimiento fuer on: la cantidad de cilindr os, la cantidad de mater ial y el tiempo de rotación par a fracturar los aglomer ados. Como s e menc io nó se util iz aron 50 c ilindr os, 150 g de mater ial y se pulverizo por un lapso de 2 h. 3.1.2 Caracteriz ación del Polvo Una de las car acter ís tic as que se enc ontró fue el tamaño de partícula. Para encontr ar esta dimens ió n se utilizó la nor ma ASTM 429 C ref. [21], en la cual los parámetros que gobernaba esta medic ión er an: los tr es tamic es de 50 (300µm), 100 ( 150µm), y de 200 ( 75 µm) r espectivamente, y la máquina de vibrac ió n para el tamizado, la cual fue util iz ada por un laps o de 15 minutos según la nor ma anterior mente mencionada. En los experimentos realiz ados se utiliz ó mues tras del polv o de vidrio entre 20 y 25 gr. La ilustr ación 16 muestra este proc edimiento.. 28.

(29) Ilustración 16: Fotogr afía del Tamizado del polvo d e vidrio.. Otra téc nic a que se utilizó fue la microscopia óptica, este equipo s e encontr aba en el labor ator io del CITEC, c on el fin de observ ar de otr a maner a el tamaño de partíc ula del polvo de vidrio. Se realiz ó la medición de dens idades picnométr ica, apar ente y de batida. Los equipos utilizados son el picnómetr o, y el embudo de Hall. La densidad picnométric a s e r ealizó bajo la nor ma ASTM 792-91, que s e basa en el princ ipio de Arquímedes. Se utiliz a un picnómetro el c ual se pesa completamente v ac ío, posterior mente se pesa completamente lleno de agua destil ada, des pués de s ecar nuev amente el pic nómetr o s e pes a c on el polvo de vidrio a la mitad del mismo y por último se llena de agua hasta el bor de y nuevamente se pesa. En es te proc edimiento se mues tra en la ilustr ac ión 17.. Ilustración 17: Fotogr afías de pi cnómetros, par a deter minar la den sidad picno métrica.. 29.

(30) Para enc ontrar la dens idad aparente y la de batida, se utiliz ó la norma A STM B 212 r ef. [22] y la norma A STM B 527 r ef. [23] r espectivamente. Para la densidad apar ente, la c antidad de polvo que s e utiliz ó dependía de la distribución del polvo dentro del cilindro, también de la fricc ió n entre los polvos y el empaquetamiento. Esta densidad se media de ac uerdo a la dif er encias de peso entr e el cilindr o v ac ío y el c ilindro lle no de polvo de vidrio. El pr ocedimiento par a enc ontrar la densidad de batida es semejante al anterior, con la diferenc ia que en el momento de hacer caer 20 gr. de polv o de vidrio en el c ilindr o, es te mis mo bate hasta no enc ontrar un mov imiento de polvo significativo. Después se mide el volumen que oc upa el polvo y se encuentra la dens idad de batida. Este pr ocedimiento inv olucr a el embudo de Hall c omo se observa en la ilustrac ión 18.. Ilustración 18: Fotografía de embudo de H all para determinar la den sidad apar ente y de batida.. 3.2. PREPARACIÓN DE LAS M UESTRAS. 3.2.1 Com pactación en frío La c ompactac ión de las piezas fue realiz ada en la matr iz de c ompactac ión, fabric ada en un pr oyecto de gr ado anter ior ref. [19], por Car los Serrano. Se realizar on 18 muestr as en total donde la fuerza de pr ensado, otorgada por la prens a hidr áulic a Instr on del CITEC o en la maquina de ens ayos Univers ales Ty nius Olsen varió desde 1500 a 10100 Lb. La Ilustr ac ión 19 nos muestras las etapas de c ompactac ión.. 30.

(31) Ilustración 19: Esqu ema del proceso de co mpactaci ón para las piezas del polvo de vidrio Soda Lime. Ref. [1]. Como se obs erv a en la figur a anterior, encontramos que el proc edimiento involucr a un movimiento uniaxial y bidireccional. Las piezas c ilíndr icas que se obtienen tienen las siguientes dimens iones: 2.5mm * 9.6 mm, alto por diámetro respectiv amente c omo s e observ a en la ilustración 20.. Ilustración 20: Esqu ema de l a pieza d e comp actaci ón obtenida dur ante la investigación.. 3.3. SINTERIZADO. Se realizaron difer entes tratamientos tér mic os, utiliz ando la mufla del laborator io de mec ánic a, equipo de industrias Terr ígeno Modelo MC -2438.. 31.

(32) La decis ión de los ciclos tér mic os, que involucr an las temper atur as y tiempos de quema, fue deter minada por la investigac ión en Maestr ía en Ingeniería Mecánica Ref. [4] (Vladimir Boc anegra) . Este trabajo presentó un rango de temper aturas y tiempos, donde se encontró el fenómeno de expansión y contracción que es estudio de esta inves tigación. La distr ibuc ión cualitativ a de la que ser á el c iclo tér mic o s e muestr a en la ilustr ación 21.. Ilustración 21: Esqu ema ciclo de sin terizaci ón todas l as piezas co mpactad as.. Los cic los de temperatur a s e r ealizar on a difer entes cuerpos c ompactados, variando la temper atur a máxima de expos ición. De ac uer do al comportamiento de c ada piez a se sigue esc ogiendo el s iguiente valor de la temper atur a. Para la s egunda s erie s e util iz aron v alor es de temperatur a iguales, s e var ió el tiempo de exposic ión al igual que la tas a de calentamiento. Las tas as de c alentamiento utilizadas se enc uentran entre 5- 10 º C/min y la de enfriamiento s eria de apr oximadamente 20 º C/min en el horno por un laps o de tiempo c erc ano a los 45 minutos. Para este pr ocedimiento se miden las dimens iones de la piez a, la mas a de la misma y se colocó dentr o de la mufla c omo s i indica en la ilustr ac ión 22.. 32.

(33) Ilustración 22: Esqu ema d el posi cionamiento d e la termo cupl a y piez a compactada dentro d el Horno Eléctrico.. 3.4. CURV AS DILATOM ÉTRICAS Y CARACTERIZACIÓN PIEZAS. 3.4.1 M edición dimensional de los cuerpos compact ados. Las mediciones s e refir ieron a la altur a, diámetr o y peso de cada una de las piez as compac tadas. Con estos datos se encontró la densidad a cada temperatur a, al ig ual que el cambio volumétrico o dimens ional antes y depuse del c iclo de s interiz ación. Par a enc ontrar la densidad nos basamos en el cambio v olumétrico. 3.4.2 Curvas Dilatométricas Las. curvas. dil atométr ic as. se construyer on. a partir. de. los. cambios. dimensiónales y el cambio en la densidad de ac uerdo a la temper atur a máx ima aplicada. Los datos indicados se mostraron de manera porcentual, in dicando la difer encia entr e el valor de refer encia y el actual. 3.4.3 Caracteriz ación Piezas Para enc ontrar la densidad nos basamos en el cambio volumétrico. Se utilizó un micrómetro de pres ic ion de 0.05 mm y una balanza OHAUS de pres ic ió n de 0.05 gr. La poros idad se analizó con un softw are de anális is de imagen ref. [17], para deter minar la c antidad de por os y posibles fases pres entes.. 33.

(34) 4 4.1. RESULTADOS Y DISCUSION Car acteriz ación. La c aracterizac ión del mater ial se realizo, para obtener el orden de magnitud del tamaño, for ma, dens idad apar ente, densidad picnométr ica, dens idad de batida c on el objetiv o de identificar y clasific ar exactamente con que tipo de vidrio estábamos trabajando. El v idr io al pr ovenir de un pos t proc esamiento industrial,. entr egar ía. discrepanc ias. c on. algunos. valores. teór icos. y. obtendr íamos datos nuev os para es te material al final del c amino.. 4.1.1 Obtención del Polvo La obtención s e llevó a cabo en un molino de bolas, teniendo en cuenta que neces it ábamos que el mater ial se mantuv iera lo más pur o pos ible, se realizó un par de experimentos. Estos ex per imentos cons taban bás icamente en medir el peso y tamaño de los c ilindros, pulver izar el material base y medir posterior mente nuevamente el pes o y tamaño de los cilindros, esto c on el fin de deter minar s i el molino agr egaba signific ativamente nuev o mater ial o r esiduos al or iginal. Se encontr ó que el cambio en peso y tamaño se enc ontr aba en 0.001 g y 0.005 mm res pectivamente con lo cual se conc luy o que el molino no influiría en los resultados poster iores. Los aglomer ados s e frac tur aron por el proces o de molienda, obteniendo polvo de vidr io, c on el cual se realiz aran las otras pruebas de car acter izac ión. El polv o se mues tra en la ilustr ación 23.. 34.

(35) Ilustración 23: Fotografía d el polvo d e vidrio residu al Soda Li me, provenien te d e la molienda.. 4.1.2 Tamaño Al realiz ar las medic iones del tamaño por dos métodos distintos, obtuv imos varios v alor es par a tener en cuenta. La ilustr ac ión 24 nos mues tra los valores menc ionados. Por el método de tamizado se obtuv ier on las siguientes r elaciones: Al utiliz ar 23.4 gr . de polvo de vidrio, después del pr oc eso de tamizado, so obtuv ieron tres rangos de tamaños. Se obtuvo el 27.63 % de polv o que era mayor a 150 micras ( µm), un 17.99 % que enc ontraba entre 150 y 75 micras (µm) y por último un 54.38 % menor a 75 micr as ( µm).. 60. Cantidad en Peso [%]. 50 40 30 20 10 0 75<150 micras. > 150 micras. < 75 micras. Tamaño [micra s]. Ilustración 24: Gr afica qu e muestra la di stribuci ón d e tamaño d el polvo de vidrio.. Como s e puede observar la distribución de tamaño en el material final, inc luye varios tamaños , teniendo una mayor c antidad de polvos menor es a 75 micr as. Teniendo en cuenta que posterior mente s e va a compactar este polvo, la variedad de tamaños ay udar á al empaquetamiento y distr ibución del material dentr o de la pieza compactada.. 35.

(36) La s egunda forma que se utilizó para deter minar o entr egar un tamaño aprox imado fue micr oscopia óptica, este método nos es ac ertado per o per mite observar la for ma de las par tículas y medir algún tamaño. Se obtuvo la medición de v arias partículas, la for ma no se puede determinar pero es e no era el objetivo primordial de es te método. Por cons iguiente tenemos la ilustrac ión 25, que nos muestr a algunas partículas.. Ilustración 25: Fotografías d el pol vo d e vidrio de seguridad, ob ser vando el tamaño de las par tículas por mi croscópica ópti ca. 100x.. En la microscopia óptica obs erv amos par tículas menor es a 100 micr as, la igual que algunas may ores a 150 micr as y en la c uarta foto se puede observar partíc ulas menores a 50 micras . Comparando los r esultados obtenidos por el tamizado y la micr oscopia óptica, se observó que los tamaños de los polvos de v idrio si se enc uentran entr e los rangos anter ior mente mencionados. 4.1.3 Com posición Química El anális is de la c ompos ición químico fue realiz ado por fluorescencia de r ayos x, XRF ( Philips , Modelo PW 2400). Realiz ado por la Univers idad Federal Santa Catar ina (Bras il).. 36.

(37) Se r ealizó el anális is químico de una mues tra del aglomerado del mater ial, para deter minar y r econoc er el tipo de vidrio que estamos es tudiando. Con este resultado s e decidió busc ar el tipo de vidrio en la liter atura, y enc ontr ar algunas propiedades de este material, c omo la relación de temperatura y v iscosidad, rango de temperatura donde s e puede encontrar la temperatur a de tr ansic ión vítrea. La c ompos ic ió n química se muestr a en la tabla 2.. Óxidos. SiO2. Al2 O3. Fe2 O3. Ca O Na2 O. K2 O. % en. 69.8. 0.8. 0.09. 7.72. 0.29 3.56. 12.05. MgO. MnO Li2 O. B2 O3. P.F. N. D.. N. D.. N.D.. 0.02. Peso Tabla 2: Composici ón Quími ca d e vidrio de seguridad residual.. Con estos datos s e encontr ó una c ompos ición s imilar, lo c ual per mitió c atalogar el mater ial c omo vidr io Soda Lime. La tabla 3 nos muestr a la composic ión que se encontr ó. Óxidos. SiO2. Al2O3. Ca O. M gO. Na2 O. K2 O. % en Peso. 72.3. 1.7. 8.8. 2.9. 0.9. 0.9. Tabla 3: Composici ón Quími ca d e Vidrio Soda Lime. Ref. [20]. Al reconoc er que tipo de vidrio er a, se encontró algunas temper aturas importantes que per mitió la ratif ic ación de las temperaturas usadas en los ciclos de sinter ización. La tabla 4 muestra las temper aturas relevantes . Vidri o Soda Lime. Strain Poi nt. Annealing. Mg Poi nt. Softeni ng. [ºC]. Poi nt [º C]. [º C]. Poi nt [º C]. 490. 530. 590. 730. Tabla 4: Tabl a de temper atur as i mportantes del vidrio Sod a Lime. Ref. [20]. La impor tancia de es ta tabla r adica en el hecho, de que nos muestr a la temperatur a de trans ición v ítr ea alr ededor de los 590 º C, lo cual como s e v erá posterior mente no es la temper atura real del polvo de vidrio objeto de esta investigación. En las ilustrac iones 12 y 13 podemos observ ar algunas graficas que nos relac ionan los valor es teór icos del v idr io Soda Lime, material que es muy similar al polvo de vidrio de s eguridad r esidual objeto de este estudio.. 37.

(38) 4.1.4 Densidad Picnom étrica La dens idad picnométrica es de vital importanc ia para carac ter iz ar el material que estamos estudia ndo, este valor s erá tenido en cuenta para los siguientes proc esos y será punto de entendimiento para deter minar el comportamiento del material en la metalur gia de polv os. Un aspecto importante es tener en c uenta la dens idad teór ica de los vidrios, 3 que s e enc uentr a ( ρ = 2 − 2.2 gr./ cm ). La densidad pic nométr ica es la que mas. se ac erca por que inv olucr a el polv o, el tamaño más pequeño y dir ecto en el que se pudo r ealizar la medición.. Después de realiz ar los ex per imentos. encontr amos que la dens id ad del polv o de vidr io de segur idad se encontr aba 3 en ρ = 2.0154 gr. / cm , lo cual es coher ente con el punto de refer encia que se. menc ionó anterior mente. 4.1.5 Densidad Aparente Esta es una car acter ística que permite identificar el polvo de vidrio. En el momento de realiz ar este procedimiento nos enc ontr amos con el inc onv eniente de que el polvo no fluía, por lo cual se nec esito un poc o de ayuda con un alambre y hac er que el polv o fluy era hac ia el cilindro. Se podr ía decir que la fricción era muy grande par a que fluyese el polvo. Como se explicó anter ior mente des pués de los experimento se encontr ó que la dens idad apar ente es de 0.482 gr/c m3 . Este res ultado nos muestra que la distribuc ión dentro del cilindro del embudo de Hall, no es uniforme y que la fricción entr e las partículas es tan grande que no hay un empaquetamiento uniforme; dejando es pacios de air e en toda la mues tra. 4.1.6 Densidad de Batida La dens idad de batida es otr a c arac ter ística que enc ontramos , lo cual después de los ex per imentos se hall ó que es igual a 1.023 gr/cm3 . Comparando con la dens idad apar ente observamos que es un poc o mayor , lo que signif ica que la vibr ac ión reorganiz a los polvos adquir iendo un mayor empaquetamiento y por c onsiguiente la densidad aumenta.. 38.

(39) 4.2. COMPACTACION. Este pr oces o es muy importante para el estudio, por que aquí s e deter mina la compactabilidad del mater ial, lo que entr egaría una densidad en v erde neces aria par a lo grar sinterizar más adelante las piezas. Por c onsiguiente se realizo la curva de compactación adelante descrita. Los pasos que s e s iguier on en este pr oc eso de compactación, como fue descr ito anterior mente, s e mues tran en la ilustración 26.. Ilustración 26: Foto s d el proceso d e compactaci ón del polvo de vidrio de seguridad, co mpactaci ón y extracci ón.. Este pr ocedimiento se llevo a cabo en el CITEC, se trató de mantener una cantidad igual de llenado par a obtener las mis mas propiedades en cada piez a. Los par ámetros importantes er an la c antidad de polvo que se debía utilizar en cada compactación la pr esión de compactado. Se util iz ó apr oximadamente 0.30 gr. de polvo de v idrio y las presiones se mencionan más adelante. Las piezas que se obtuv ier on tenían la for ma descrita en la il ustr ación 20, y pesaban entre 0.22-0.30 gr.. 39.

(40) 4.2.1 Curva de Com pactación La curv a de compactación s e realiz ó para obtener la pres ión de compactac ión en frío nec esar ia par a obtener la may or dens id ad posible. Las tablas 21 y 22, que enc ontramos en el Anexo A, pr es enta las cargas utiliz adas y algunas carac ter ísticas de las piez as obtenidas. En el momento de obtener la dens idad de c ompac tado enc ontramos que después de 154 MPa. esta dens idad es may or al 75% de la densidad. 3 3 picnométric a. ρ = 2.0 gr. / cm * 0.75 = 1.5gr. / cm , proveniente de la medic ión. picnométric a r ealiz ada anterior mente. La ilustr ación 27. pr es enta la relación de dens idades para las diferentes. pres iones de c ompactac ión.. 0 ,08 2. Ln(1/(1-D)). 0,0 8 0 ,07 8 0 ,07 6 0 ,07 4 0 ,07 2 0,0 7 0 ,06 8 0 ,06 6 0. 50 100 150 200 250 3 00 350 400 450 50 0 550 6 00 650 700 Pres ion de Compactado (MPa). Ilustra ción 2 7: Gra fica que mues tra l a cur va de compa ct ación, evid enci ando el co mport ami ento del polvo de vidrio.. La ilustración 28 presenta la c urva de c ompactac ión obtenida, indicando las dens idades pic nométr ica, de batida y apar ente, en pr esión de 0 Lb.. 40.

(41) Densidad de Compactado [Kgr/m^3]*10^-3. 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 600. 650. 700. Presion de Compactado [MPa]. Ilustra ción 28 : Gr afic a curva de co mpa ctaci ón relacion ando la d ensid ad y la pre si ón de co mpa ct ado del polv o de vidrio.. Del pr imer punto al segundo hay un aumento de 6.75 %, del s egundo al terc ero del 2.08%, del terc er o al cuarto 2.68%, del cuarto al quinto 1.39%, del quinto al sexto de 0.5% y del s exto al último de 2.72%. La difer enc ia de densidades entr e punto y punto en los últimos puntos no super a un 3%, por lo cual se decidió que en 620 MPa, es un buen punto para detener las mediciones. Como se puede observ ar la dens idad de c ompactado se estabiliz a alrededor de 1.65 gr. /c m3 des pués de la pr esión de 620 MPa. Después de este análisis de densidades en ver de, s e eli gier on 2 pr esiones de compactado, lo cual sirv e par a el posterior pr oc esamiento en el c ual queremos entender el compor tamiento del vidr io s oda lime con la temperatur a. Se realizaron dos series de experimentos a difer entes. pres iones. de. compactac ión, par a deter minar posterior mente si la pres ión de compactac ión también influye en el c ompor tamiento volumétric o en el cic lo de s inter ización. La tabla 5 nos muestr a la selección de las 2 pr esiones . Las condic iones para seleccionarlas se bas ó en que no se obs erv aran grietas en la s uperfic ie o la piez a en gener al, y que tuviese la r esis tenc ia nec es aria para su manipulación.. 41.

(42) Carga (N). Presi ón (M Pa). Serie 1. 15570. 219.73. Serie 2. 44940. 620.94. Tabla 5: Presion es d e co mp acta ción seleccion ada p ara la s do s seri es de compac tado s.. 4.2.2 M uestras Com pactadas En es te punto ya tenemos las dos ser ies de piezas compactadas, las cuales son sometidas a medic iones dimensiónales y de peso, para determinar nuev amente la densidad en ver de. La tabla 23 y 24 en el anexo A nos muestra las caracter ístic as de estas dos ser ies. Piez as compactadas, la fila superior fue c ompac tada a 215,17 MPa (15.57 KN) y la infer ior a 620,93 MPa ( 44,94 KN). La ilustrac ión 29 nos muestra las piezas compactadas, relacionando el tamaño con una moneda de 50 pes os, observando que trabajamos c on piezas muy pequeñas.. Ilustra ción 29 : Fotogr afía s de las pieza s co mpactad as a diferentes pre sion es .. Estas piezas no demostraban grietas en la s uperfic ie, tampoco tenían el tamaño por las condiciones de llenado, pero se mantuvo la r evisión neces aria en cada una de las mediciones par a no infringir en errores may or es. 4.3. SINTERIZACION. El cic lo de sinteriz ac ión se esc ogió s egún el trabajo de magíster de V ladimir Bocanegra r ef. [4]. El r ango de temperatura a la c ual se deber ía tr abajar se encontr aba entre 480- 530°C, pero en el momento de r ealiz ar los ex per imentos se encontr ó que la temperatura máxima se encontr aba más alta, con lo cual se decidió alcanz ar los 680°C. 42.

(43) Los datos del trabajo menc ionado no fuer on los únic os que gober naron los ciclos de sinter izac ión, ev entos inesper ados y accidentales cambiaron los picos de temperatura par a esta exper imentac ión. El aspecto más importante par a este estudio se radica en el cambio volumétr ico debid o a la ex posic ión a altas temper aturas , al igual que el conocer la temper atura exacta en la c ual esto s ucede. El instr umento que per mitir ía este estudio c on una exac titud muy elev ada es el Dilatómetr o, como la univ ersidad no c uenta con este ins trumento, se utiliz ó el hor no, y se r ealizaron las medic io nes antes y después del ciclo térmico. Para empez ar se realizó la calibr ac ión de la mufla, par a deter minar s i el contr ol de temperatura indicaba realmente el ambiente tér mic o dentro del hor no. Esta calibrac ión se realizo c on la termoc upla tipo K par a altas temperaturas, el montaje se muestra en la ilustrac ió n 30.. Ilustra ción 3 0: Fotogr afía de montaje p ara la m edici ón de l a t e mperatura dur ant e el ciclo tér mico d e las pieza s de polvo d e vidrio.. Durante es te. proc edimiento se. calentamiento del horno,. apr ovechó. para calibr ar. la. tas a de. desafortunadamente enc ontr ar el sis tema. de. selección de la tasa tomo una semana, y as í tener una v ariable del ciclo tér mico ajustado.. 43.

(44) Se encontr ó que el contr ol del hor no no s eñalaba realmente la temper atura dentr o del mis mo, con cual s e r ealiz o una gr afica par a deter minar la realidad de los datos y as í selecc ionar realmente la temper atur a que queremos alc anzar,. Temperatura[ºC]. como se ve en ilus trac ión 31. 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Tiemp o(min) Ilustració n 31 : Grafica que relacio na el control del horno eléctrico y la medició n de la termocupla tipo K.. Realizando esta calibrac ión s e mantuvo una piez a c ompactada dentro del horno, la cual s e ex pandió v olumétr icamente a la temperatura de 680ºC. La ilustr ación 32 muestra la expansión par a esta temper atura.. Ilustra ción 3 2: Fo tografía qu e e vide ncia l a exp ansi ón volu mé trica del polvo de vidrio a una te mp era tura de 6 80 ºC. El cic lo de sinteriz ac ión par a la s er ie 1 y 2 s e muestr an en la tabla 6. El. proc edimiento constaba de intr oduc ir 2 piezas una de cada ser ie, esto c on el fin de comparar las piezas al final bajo el mis mo cic lo tér mico.. 44.

(45) M uestras. Tempe ra tura [°C]. Pieza 1. 427. Pieza 2. 638. Pieza 3. 465. Pieza 4. 573. Pieza 6. 685. Pieza 8. 662. Pieza 9. 673,8. Tabla 6: Temp era tura s m áxi mas para el ciclo de sinteriz aci ón, par a la s seri es 1 y 2.. No se aplicó ningún tipo método par a esc oger el orden de las piezas compactadas, a las cuales se le aplicara la temperatura máxima. Como podemos observar las temper atur as de estos c iclos son super iores al rango donde se encuentr a la transic ión vítr ea estipulada Ref. [20]. Esto se dec idió por no encontr ar expansión en este rango, y al observar que a 680º C si ocurr ía el fenómeno es tipulado, se dec idió alcanz ar temperatur as más altas . El ciclo de s interiz ación al cual fueron s ometidas todas las piez as de la s erie 1. Temperatura[ºC]. y 2 s e v e en la ilustración 33. 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 10 20. 30. 40. 50 60. 70. 80 90 100 110 120 130 140 150. Tiempo(min) Ilustra ción 33 : Gr áfic a par a el ciclo d e Sinteriza ci ón de tod a s las piez as d e vidrio de seguridad.. 45.

(46) La c ual esta compuesta por la pr imera etapa de calentamiento, a una tasa promedio de entr e 7–10º C/min, se mantiene la temperatur a máxima par a c ada ciclo por un lapso de tiempo apr oximado de 15-20 minutos, y por último se enfr ía a una tas a de c alentamiento de apr oximadamente 20ºC/min.. 4.4. MEDICION DIM ENSIONAL. La medición de pr opiedades es el pas o final par a la elaborac ión de las curvas dilatométric as. En esta etapa s e neces it o una balanza de prec is ión y un pie de rey, para deter minar los c ambios de masa y variables dimensionales. Las v ar iables dimensionales medidas, después de la sinter ización, son de altur a y anc ho para c ompar ar poster iormente con las mis mas v ariables antes del c iclo tér mic o. Las tablas 7 y 8 demuestr an los cambios dimens iónales en cada s erie. Altura1. Diáme tro1 M asa1. Al tura2. Diámetro2 Masa2. M uestras (mm). (mm). (gr.). (mm). (mm). (gr.). Pieza 1. 2,6. 9,5. 0,2926. 2,35. 9. 0,2539. Pieza 2. 2,5. 9,5. 0,2806. 2,2. 8,8. 0,2248. Pieza 3. 3. 9,5. 0,3273. 2,75. 9. 0,2811. Pieza 4. 2,8. 9,5. 0,3062. 2,655. 9,15. 0,2822. Pieza 5. 2,5. 9,5. 0,2619. 2,5. 9,5. 0,2619. Pieza 6. 2,4. 9,5. 0,2602. 2,75. 10,45. 0,2072. Pieza 7. 2,7. 9,5. 0,3022. 2,7. 9,5. 0,3022. Pieza 8. 2. 9,7. 0,2062. 1,8. 9,2. 0,1752. Pieza 9. 2. 9,7. 0,1933. 2,1. 10,4. 0,1756. Tabla 7: V ariable s di men siónal es y de p eso de la s erie 1.. Como podemos observar las piezas pr esentar on un aumento y reducc ión en las dimensiones, también todas pr esentar on una r educc ión en la masa, lo que es un fenómeno que no esperábamos y c ambio la inter pretación de los datos.. 46.