Tendencias en nanomateriales metálicos
Un nuevo proceso de fabricación de aleaciones de aluminio nanoreforzados para su aplicación en componentes de automoción.
Los materiales compuestos de matriz de aluminio comenzaron a aplicarse por primera vez en los años 1950. A la excelente combinación de propiedades mecánicas, resistencia al desgaste y fatiga y su ligereza se unía otro aspecto interesante como la posibilidad de fabricar materiales a medida por medio de la diferente combinación de materiales y porcentajes de refuerzo utilizables.
Rápida evolución de su utilización práctica: … cuestión de costes
Su aplicación en la industria de la automoción comenzó a través de Toyota en 1983 por medio de la fabricación de pistones conteniendo preformas cerámicas en las zonas de mayor desgaste. Posteriormente se han aplicado en la fabricación de frenos de disco en el vehículo eléctrico Lotus Elise fabricados con la tecnología Lanxide en aluminio reforzado, válvulas del motor del vehículo Toyota Altezza fabricado con Titanio y fibras de TiB y en otras aplicaciones para los vehículos de competición como pistones, discos de freno, barras estabilizantes en aluminio reforzado.
 Los desarrollos de los últimos cinco años están centrados en resolver los problemas derivados del elevado coste de los componentes y en mejorar las prestaciones en cuanto a ductilidad y nivel de propiedades mecánicas a elevadas temperaturas. El desarrollo de procesos de fabricación capaces de producir componentes de forma casi final sin necesidad de mecanización (forja líquida, fundición a la cera perdida y al modelo perdido etc.) y la aplicación de partículas de bajo coste y la utilización de preformas en zonas localizadas del componente responden a la necesidad de salvar estas barreras que impiden la utilización masiva de los materiales compuestos en vehículos producidos en series largas.
El desarrollo de los materiales compuestos con refuerzos de tamaño submicrométrico de bajo coste es considerado como un paso más en esta dirección. Hasta el momento este tipo de materiales se han fabricado mediante la utilización de tecnologías de pulvimetalurgia como la aleación mecánica o la sinterización por plasma de coste muy elevado y no hay aplicaciones comerciales. Aún así y debido a las ventajas que ofrecen los materiales en cuanto a la mejora de propiedades mecánicas y a los niveles de tenacidad y ductilidad logrados, se considera que el desarrollo de tecnologías de bajo coste que pudieran fabricar materiales de este tipo será una línea de investigación esencial en el campo de los materiales compuestos de matriz metálica en los próximos años. En este sentido el planteamiento de la utilización de la tecnología de SHS para la fabricación de estos materiales encaja perfectamente en las necesidades de la industria de la fabricación de componentes de automoción.
Inasmet-Tecnalia
Una línea de investigación de Inasmet-Tecnalia se orientan a desarrollar un nuevo concepto de fabricación de componentes de materiales compuestos de aluminio reforzados con partículas de tamaño submicrométrico. La novedad principal con respecto a otros desarrollos estudiados en diferentes laboratorios y universidades estriba en la aplicación de la tecnología de SHS para la fabricación de pastillas conteniendo aluminio puro y nanorefuerzos cerámicos sintetizados a partir de la mezcla y reacción de partículas elementales.
Tecnología SHS
La tecnología SHS es un proceso de síntesis flexible basada en la aplicación inicial de una mínima cantidad de energía sobre una mezcla de elementos químicos en polvo para iniciar una reacción exotérmica autopropagante en el que los productos de reacción presentan una elevada pureza debido a las elevadas temperaturas del proceso y al control exacto de la reacción química. Inasmet-Tecnalia cuenta con una amplia experiencia en el desarrollo del proceso de SHS en la fabricación de partículas cerámicas como TiC y TiB 2 de tamaño micrométrico (entre 2-5 micras). En la presente línea de trabajo el reto tecnológico consiste en la obtención de partículas de tamaño submicrométrico y en la optimización de la mezcla de las mismas con la aleación de aluminio seleccionada. Para ello se plantea un desarrollo de la tecnología en dos etapas:
La primera etapa consistirá en la optimización del proceso de SHS para la obtención de las pastillas que contengan aluminio puro (necesario para una correcta mezcla con la aleación en la etapa posterior) y las partículas cerámicas. El aluminio no participa en la reacción exotérmica pero se funde durante la misma debido a las temperaturas alcanzadas y posibilita un buen contacto entre la cerámica y la aleación en la etapa posterior de fabricación. Basándose en la experiencia previa de Inasmet se prevé que los aspectos básicos deben estar centrados en una correcta estequiometría de la reacción de síntesis, selección de los polvos elementales en cuanto a forma y tamaño, obtención de una mezcla homogénea, parámetros de fabricación de la pastilla en verde, control de los parámetros del proceso SHS (presión, energía inicial, temperatura externa) y molienda del material.
En una segunda etapa la pastilla lograda por SHS se incorpora a la aleación de aluminio en estado fundido para su mezcla homogénea. Una vez asegurada la misma el material reforzado se cuela en el molde siguiendo el proceso tradicional de colada. La presencia de aluminio en la pastilla debe posibilitar la mezcla de las partículas en el metal fundido en una etapa crítica para asegurar que se alcancen las propiedades máximas del material compuesto. En esta segunda etapa se deben estudiar aspectos críticos como la agitación del caldo, temperatura, caudal de alimentación del polvo de SHS, tiempo de permanencia en el horno de mantenimiento, temperatura de colada con el objetivo de evitar aglomeraciones del refuerzo y fenómenos de disgregación.
Pedro Egizabal (Doctor en Ciencias Químicas) - Project Manager
Tecnologías de Fundición No Férrea.
E-mail:pedro.egizabal@inasmet.es
INASMET-TECNALIA
Tno. +34 – 943 003 700
Fax. +34 – 943 003 800
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FOTO: micrografía obtenida por SEM de partículas de TiC de tamaño submicrométrico obtenidas por SHS (Self propagating High temperature Synthesis) - Autor: Pedro Egizabal
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