III Cong eso Nacional de Pul ime alu gia
Valencia, 13 y 14 de junio de 2010
17-25
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ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES DE
MOLIENDA EN LAS PROPIEDADES DEL POLVO DE
ALUMINIO NANOCRISTALINO
J. Solà, J. Llumà, J. Jo ba
Dep. Ciència de Ma e ials i Enginye ia Me al•lú gica, EUETIB,
Uni e si a Poli ècnica de Ca alunya, Com e d’U gell 187, 08036 Ba celona.
joan.sola-sa aciba @upc.edu, jo di.ll[email p o ec ed]du, Jo di.j[email p o ec ed]du
RESUMEN
En la úl ima década ha habido un c ecien e in e és y es ue zo de in es igación cen ado en
el desa ollo de ma e iales nanoc is alinos debido a la no able mejo a de sus p opiedades
químicas, eléc icas, magné icas, óp icas y mecánicas. Es os ma e iales pueden se
p oducidos median e a ios p ocedimien os. Aunque algunas de es as écnicas, como la
molienda mecánica (BM), p oducen ma e iales en pol o que equie en una consolidación
pos e io pa a ene una aplicación es uc u al, pe mi en ob ene los meno es amaños de
g ano. Po es a azón, se han ealizado amplios es udios sob e la dinámica de los p ocesos
de molienda y de su in luencia en los cambios mic oes uc u ales p oducidos en esos
ma e iales. No obs an e, el p incipal es ue zo se han cen ado en ma e iales é icos, y son
pocos los abajos en aluminio pu o.
En la p esen e comunicación se p esen a la e olución de la du eza y amaño de pa ícula
de aluminio nanoc is alino ob enido po molienda mecánica y el endimien o del p oceso
de p oducción en unción de los pa áme os de molienda.
ABSTRACT
In he las decade o so he e has been an inc easing in e es and esea ch e o ocused on
nanoc ys alline ma e ials due o he ema kable imp o emen o hei chemical, elec ical,
magne ic, op ic and mechanical p ope ies. These ma e ials can be p oduced by se e al
p ocesses. Al hough some o hose echniques as ball milling (BM) p oduce powde ed
ma e ials ha need o be consolida ed in a u he p ocess o be use ul in s uc u al
applica ions, hey a e able o ob ain he smalle g ain size. Fo his eason, he dynamics
o he milling p ocess and i s in luence on he mic os uc u al changes p oduced in hese
ma e ials has been ex ensi e s udied. Howe e , he main e o s ha e ocused on e ous
ma e ials, and he e a e ew s udies o pu e aluminium. This pape p esen s he e olu ion
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o ha dness and pa icle size o nanoc ys alline aluminium powde ob ained by mechanical
milling and he e iciency o p oduc ion p ocesses e sus milling p ocess pa ame e s.
Palab as cla e (Keywo ds): aluminio, ma e iales nanoc is alinos, p opiedades mecánicas,
écnicas de p oducción de pol os.
1. INTRODUCCIÓN
La no able mejo a en las p opiedades químicas, eléc icas, magné icas, óp icas y
mecánicas que se ob iene en los ma e iales nanoc is alinos ha p opiciado una eclosión en
su es udio du an e la úl ima década [1,2]. Los p ocesos que pe mi en ob ene es os
ma e iales son muchos y di e sos, pe o aquellos que pe mi en ob ene un meno amaño
de g ano c is alino suelen p oduci el ma e ial en o ma de pol o, el cual p ecisa de una
pos e io sin e ización pa a p oduci componen es ap os pa a aplicaciones es uc u ales.
En e es as écnicas se cuen a la molienda mecánica, que ha sido obje o de nume osos
es udios me odológicos sob e la in luencia de los pa áme os de molienda en la e olución
del ma e ial molido [3,4,5]. Ello ha pe mi ido ob ene amaños de g ano nanoc is alino en
di e sos me ales [6] y aleaciones [7].
No obs an e, el p incipal es ue zo se ha cen ado en ma e iales é icos, y son
compa a i amen e pocos los abajos de molienda mecánica en aluminio pu o [8], aunque
no con sus aleaciones [9]. Es e hecho no ha impedido de allados es udios de la e olución
de la mic oes uc u a del aluminio al acumula abajo en ío median e o as écnicas de
de o mación [10], que en g andes líneas son ex apolables al caso de la molienda
mecánica.
Tal ez po es e mo i o, la mayo ía de abajos se cen an en la in luencia del iempo de
molienda en las p opiedades mecánicas del pol o ob enido y deja de lado la in luencia de
o as a iables como la ene gía de los impac os (consecuencia de la elocidad de gi o) o el
núme o de impac os po unidad de iempo (consecuencia del núme o de bolas). El p esen e
abajo es á en ocado a desc ibi la in luencia de es as a iables, no sólo en las p opiedades
mecánicas del ma e ial mol u ado, sino de aquellas a iables que in luencia án en el
pos e io p oceso de sin e ización en e apa indus ial, es deci , amaño de pa ícula del
pol o y endimien o del p oceso de mol u ación.
2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El ma e ial u ilizado en es e es udio es pol o de aluminio pu o suminis ado po la
emp esa ECKA G anules® con la especi icación ECKA Aluminium AS 51 que ha sido
amizado en el labo a o io. La acción u ilizada co esponde al in e alo 72-100 m. En
la igu a 1 se mues a la dis ibución de amaño de pa ícula de la acción amizada que
ha sido de e minada median e análisis de imagen de la supe icie p oyec ada de las
pa ículas [11]. En las igu as 2a y 2b se mues an imágenes de la mo ología de las
pa ículas y de la sección de una de las pa ículas ob enidas, espec i amen e, median e
SEM y mic oscopía óp ica. En la abla 1 se mues a la composición química del ma e ial
Es udio de la in luencia de las a iables de molienda en las p opiedades del pol o de aluminio
nanoc is alino
19
o iginal y del pol o mol u ado en las condiciones ex emas ensayadas de e minada
median e espec ome ía de masas con uen e de plasma de acoplamien o induc i o (MS-
ICP). La du eza del pol o o iginal es 38,9 ± 2,7 HV 0,025 de e minada siguiendo la
me odología desc i a pos e io men e.
1E-3 0,01
0
1
2
3
4
5
6
7
Po cen aje de pa ículas
Tamaño de pa ícula (mm2)
Figu a 1. Dis ibución del amaño de pa ícula de la acción amizada exp esada como
á ea de la supe icie p oyec ada.
Figu a 2. Mo ología de las pa ículas de pol o u ilizado y del in e io de una pa ícula.
El pol o de aluminio ha sido mol u ado en molino plane a io de bolas Pul e ise e 5 de la
i ma F i sch® u ilizando con enedo es cilínd icos de 250 ml ab icados con ace o
X 5 C Ni 18 10 y bolas de 10 mm de diáme o ab icadas con ace o 100 C 6. Se han
ensayado dis in as condiciones de iempo de molienda, elación masa de bolas-masa de
pol o (BPR) y elocidad de gi o del molino ( pm) sin agen e de con ol. También se ha
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de e minado la in luencia de Licowax C de Cla ien ®, ce a ipo amida (EBS), como
agen e de con ol.
Se de e minado el endimien o de cada condición de molienda como la di e encia en e la
masa de pol o inicial y de pol o ob enido después de la molienda, y se exp esa como
po cen aje de a iación espec o a la masa inicial.
El amaño medio y la dis ibución de amaños de las pa ículas de pol o ob enidas en cada
mol u ación han sido de e minados median e análisis de imagen de la supe icie
p oyec ada de cada pa ícula ealizado sob e mues as no in e io es a 400 pa ículas. En
algunos casos se han deses imado algunas pa ículas que, po su o ma aplanada y amaño,
pudie an sesga la medida. En odos los casos se ha ajus ado una dis ibución log-no mal y
se han calculado la moda de esa dis ibución. Las ba as de e o ep esen adas en las
co espondien es g á icas delimi an los in e alos de amaño de g ano que incluyen el 90%
de la población de pa ículas de la mues a.
La du eza del pol o o iginal y del ma e ial ob enido en las dis in as moliendas se exp esa
en escala Vicke s (HV 0,025) y ha sido de e minada en un mic odu óme o Buehle 5114.
Todas las mues as u ilizadas han sido embu idas en calien e (150ºC) en esina epoxi de
al a esis encia (Epome de Buehle ®) y pulidas siguiendo el p ocedimien o me alog á ico
habi ual has a la mi ad de su diáme o, ap oximadamen e. Se ha u ilizado el c i e io
Cauchy pa a admi i o desca a en el cálculo los alo es expe imen ales de du eza
ob enidos El alo medio de du eza co esponde al p omedio en e 15 medidas álidas de
du eza y la ba a de e o ep esen a la dispe sión en e los alo es de du eza álidos
asumiendo un ni el de con ianza del 95%.
Tabla 1. Composición química del pol o del ma e ial inicial y del pol o mol u ado en las
condiciones ex emas ensayadas.
Condiciones de molienda Cd Cu Mn Zn Fe Mo Ni C Al
Ma e ial o iginal <20 <20 118 1600 <300 <200 <20 Res o
50 h/20 BPR/160 pm <20 75 68 135 1900 <200 <200 <45 Res o
20 h/30 BPR/160 pm <20 60 50 130 1950 <200 <200 <45 Res o
20 h/20 BPR/220 pm <20 85 60 150 2200 <200 <200 <45 Res o
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis químico de las mues as some idas a las condiciones ex emas de molienda
ensayadas (Tabla 1) p esen an inc emen os en la can idad de Fe que pasa desde un alo
1600 ppm en el ma e ial inicial, a 1900 ppm después de 50 ho as de mol u ación (15,8%
de aumen o), a 1950 ppm después de mol u ación con 30 BPR (21,9% de aumen o) y a
2200 ppm a 220 pm (37,5% de aumen o). La concen ación de C , Ni y de los o os
elemen os mino i a ios es á po debajo del lími e de análisis. Es e aumen o del ni el de Fe
Es udio de la in luencia de las a iables de molienda en las p opiedades del pol o de aluminio
nanoc is alino
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muy p obablemen e p o iene del desgas e del ecipien e y/o de las bolas. Aunque el
aumen o de Fe exp esado en po cen aje es impo an e, el alo absolu o máximo ob enido
es 0,22% y no ha sido de ec ado median e EDAX du an e la obse ación de mues as de
es as pa ículas po SEM, lo que indica que se halla dispe so. No obs an e, es e po cen aje
es supe io al máximo admisible en si uación de equilib io y puede o ma compues os Al-
Fe du an e el p oceso de consolidación [8].
3.1 E ec o de las a iables de p oceso sob e la du eza.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
20
40
60
80
100
120
20 h - 20 BPR - 160 pm
Du eza (HV 0.025)
EBS (%)
Ma e ial inicial
a
0 20 40 60 80 100
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120 b
Ma e ial inicial
Du eza (HV 0.025)
Tiempo (h)
0% EBS -20 BPR - 160 pm
0 5 10 15 20 25 30 35 40
20
40
60
80
100
120 c
Ma e ial inicial
Du eza (HV 0.025)
BPR
0% EBS - 20 h - 160 pm
0 50 100 150 200 250
20
40
60
80
100
120 d
Ma e ial inicial
Du eza (HV 0.025)
RPM
0% EBS -20 h - 20 BPR
Figu a 3 Va iación de la du eza en unción del po cen aje de EBS (a), del iempo (b), de
BPR (c) y de pm (d).
Figu a 3 se han ag upado las g á icas de la e olución de la du eza en unción del
po cen aje de agen e de con ol de p oceso (EBS), del iempo de molienda, de la elación
masa de bolas-masa de pol o (BPR) y de la elocidad de gi o del molino ( pm). En odos
los casos exis e un aumen o de la du eza con el aumen o de la magni ud en es udio. En la
Figu a 3a se mues a la e olución de la du eza del ma e ial mol u ado du an e 20 h con
una elación 20:1 BPR y a 160 pm en unción del po cen aje de ce a EBS. Se ap ecia un
g an aumen o del alo de la du eza espec o del pol o o iginal no mol u ado pa a
po cen ajes de EBS has a 0,8 y una disminución ab up a desde es e alo pa a el

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po cen aje 1% EBS. Po o a pa e, es in e esan e comen a el aumen o cons an e de la
du eza con el iempo de molienda has a alcanza un máximo local al ededo de 20 h de
molienda (Figu a 3b), seguido de una zona de sucesi os ablandamien os (30 y 40 h) y
endu ecimien os (35 y 50 h).
Es e mismo compo amien o se ap ecia en la e olución de la du eza con BPR (Figu a 3c)
donde se p oduce un aumen o de la du eza con el aumen o de la elación BPR has a
alcanza un máximo local en 25 BPR, seguido de un mínimo pa a 30 BPR y un pos e io
aumen o de du eza a 35 BPR. La misma secuencia, aunque más sua e, se p oduce en la
a iación de la du eza con la elocidad del molino (Figu a 3d) pe o en es e caso las ba as
de e o del alo mínimo se solapan con uno de los alo es adyacen es.
En es e úl imo caso, no se p oduce endu ecimien o del ma e ial has a supe a un alo
mínimo en la elocidad de gi o, pe o, cuando se alcanza es e alo , el inc emen o de
du eza se p oduce de o ma ab up a has a alcanza una zona de sa u ación. La
compa ación de es os compo amien os induce a pensa que el e ec o del iempo de
molienda es mayo que el de la elación BPR y mayo que el de EBS en el ango ensayado.
En odos los casos se obse a un umb al de ac i ación pa a inicia el endu ecimien o. Po
o a pa e, los alo es máximos locales de du eza se alcanzan pa a unas condiciones de 0,0
y 0,4% EBS, 20 y 35 ho as de molienda, 25 y 35 BPR, y 160 y 250 pm, man eniendo
cons an es en cada caso las o as a iables de p oceso.
3.2 E ec o de las a iables de p oceso sob e el amaño de pa ícula.
En la Figu a 4 se mues a la a iación del amaño de pa ícula en unción de las a iables
de p oceso es udiadas. En odos los casos exis e un aumen o del amaño de pa ícula con el
aumen o de la magni ud en es udio. En el caso del e ec o del po cen aje de ce a se ap ecia
un ue e aumen o del amaño de pa ícula du an e el p oceso de mol u ación con el
po cen aje de EBS has a 0,4% y una disminución pos e io has a alo es del amaño de
pa ícula pa ecidos a los o iginales pa a po cen ajes de 0,8 y 1,0% de EBS, con una g an
dispe sión del amaño en el úl imo po cen aje.
Ni el iempo de molienda ni la elación BPR p oducen a iaciones sus anciales en el
amaño de pa ícula que se man iene al o y casi cons an e a las condiciones es udiadas. La
elocidad de gi o del molino aumen a la dispe sión del amaño a baja elocidad (has a 80
pm) y p oduce un aumen o b usco del amaño con disminución de la dispe sión a pa i
de 100 pm.
La obse ación median e SEM de las pa ículas o madas indica que és as se han o mado
po apelmazamien o de pa ículas más pequeñas, gene almen e aplanadas, que se han
doblado sob e sí mismas o mando es e as en muchos casos huecas que después han
c ecido po apelmazamien o y/o soldadu a mecánica de o as pa ículas sob e la supe icie
ex e io [11].
Es udio de la in luencia de las a iables de molienda en las p opiedades del pol o de aluminio
nanoc is alino
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Po es a azón, el amaño de pa ícula c ece de o ma ab up a cuando se dan las
condiciones de p oceso necesa ias y es necesa io un mínimo pa a que el apelmazamien o
se inicie, pe o una ez iniciado las condiciones de molienda no a ec an subs ancialmen e
al amaño inal.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1 a
20 h - 20 BPR - 160 pm
Ma e ial inicial
Tamaño de pa ícula (mm2)
EBS (%)
0 20 40 60 80 100
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1 b
Ma e ial inicial
0% EBS -20 BPR - 160 pm
Tamaño de pa ícula (mm2)
Tiempo (h)
0 5 10 15 20 25 30 35
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1 c
Ma e ial inicial
0% EBS - 20 h - 160 pm
Tamaño de pa ícula (mm2)
BPR
0 50 100 150 200 250
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1 d
0% EBS -20 h - 20 BPR
Ma e ial inicial
Tamaño de pa ícula (mm2)
RPM
Figu a 4. Va iación del amaño de pa ícula en unción del po cen aje de EBS (a),
iempo (b), de BPR (c) y de pm (d).
3.3 E ec o de las a iables de p oceso sob e el endimien o del p oceso de
mol u ación.
En la Figu a 5 se han ag upado las g á icas que mues an el e ec o de las dis in as
a iables de p oceso es udiadas sob e el endimien o del p oceso de mol u ación. En el
caso del e ec o del po cen aje de ce a se ap ecia un compo amien o e á ico con ue es
a iaciones del endimien o que es muy al o pa a 0,0%, 0,3%, 0,8% y 1,0% de EBS, y del
o den del 55% de endimien o pa a 0,1% y 0,4%. En es os casos se ha p oducido una
ue e adhe encia en las pa edes del ecipien e.
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Es in e esan e comen a el bajo endimien o de ec ado a bajos iempos de mol u ación, que
aumen a ápidamen e cuando aumen a el iempo de p oceso alcanzando endimien os muy
al os cuando el iempo de p oceso es igual o supe io a 20 ho as y que dec ece le emen e a
iempo muy la gos (100 h). La elación BPR a ec a le emen e al endimien o cuando se
man iene en e alo es 5:1 y 20:1, donde alcanza el máximo, a pa i del cual dec ece
has a endimien os del 60% pa a elaciones 35:1 consecuencia de una ma cada adhe encia
del ma e ial en las bolas. En cuan o a la in luencia de la elocidad de gi o, esal a que el
endimien o es gene almen e al o, que disminuye pa a elocidades al ededo de 120 pm,
pe o que se ha de ec ado un endimien o compa a i amen e bajo (20%) a 220 pm con una
masi a adhe encia del ma e ial sob e las pa edes del ecipien e.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
20
40
60
80
100 a
20 h - 20 BPR - 160 pm
Rendimien o (%)
EBS (%)
0 20 40 60 80 100
20
40
60
80
100 b
0% EBS -20 BPR - 160 pm
Rendimien o (%)
Tiempo (h)
5 10 15 20 25 30 35
20
40
60
80
100 c
0% EBS - 20 h - 160 pm
Rendimien o (%)
BPR
50 100 150 200 250
20
40
60
80
100 d
0% EBS -20 h - 20 BPR
Rendimien o (%)
RPM
Figu a 5 Va iación del endimien o del p oceso de mol u ación en unción del po cen aje
de EBS (a), iempo (b), de BPR (c) y de pm (d).
4. CONCLUSIONES
El e ec o que las a iables de p oceso ( iempo, BPR y pm) ienen sob e la du eza y el
amaño de pa ícula p esen a una e olución simila , aunque son más no ables con la
Es udio de la in luencia de las a iables de molienda en las p opiedades del pol o de aluminio
nanoc is alino
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a iación del iempo de molienda y menos con la elocidad de gi o del molino ( pm), en
los angos de a iación es udiados. El e ec o del po cen aje del agen e de con ol (EBS)
sob e es as p opiedades iende a se con a io al de las o as a iables.
El e ec o de los pa áme os de p oceso sob e el endimien o pa ece se comple amen e
dis in o, lo que sugie e la posibilidad de op imiza el endimien o del p oceso man eniendo
cons an es las ca ac e ís icas del pol o ob enido.
5. AGRADECIMIENTOS
Los au o es desean ag adece el sopo e económico ecibido de CICyT a a és del
p oyec o MAT 2008-06793-C02-01.
6. REFERENCIAS
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[6] F. Delogu, G. Cocco. Ma . Sci. Eng. A-S uc . 422 (2006) 198-204.
[7] R. Rod iguez-Ba acaldo e al. Ma . Sci. Eng. A-S uc . 493 (2008) 215-220
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[9] F.G. Cue as e al. Re . Me al. Mad id Sp. Iss. SI (2005) 83-88.
[10] B. Bay e al. Ac a me all. Ma e . 40 (1992) 205-219.
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come cialmen pu p ocessa pe de o mació se e a” P oyec o Final de Mas e , Dep.
Ciència de Ma . i Eng. Me . ,2008. [h p://hdl.handle.ne /2099.1/5028]