Estudio de la influencia de las variables de molienda en las propiedades del polvo de aluminio nanocristalino

III Cong eso Nacional de Pul ime alu gia Valencia, 13 y 14 de junio de 2010 17-25 17 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 III Cong eso Nacional de Pul ime alu gia, Valencia, junio 2010 18 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 III Cong eso Nacional de Pul ime alu gia, Valencia, junio 2010 20 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 21 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 III Cong eso Nacional de Pul ime alu gia, Valencia, junio 2010 22 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 23 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. III Cong eso Nacional de Pul ime alu gia, Valencia, junio 2010 24 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 25 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 [1] Koch, Ca l C. (2002). Nanos uc u ed Ma e ials - P ocessing, P ope ies and Po en ial Applica ions. 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