Forecasting Performance Measurement

La fuerza impulsora de la sinterizaci´on es la misma para todos los sistemas. Las dife- rencias en la evoluci´on de cada sistema radican en la fase o fases presentes durante el sinterizado y en los mecanismos que se activan seg´un las fases presentes. La tabla 3.1

resume los tipos de sinterizaci´on que se pueden dar y los respectivos mecanismos que se activan. En los sinterizados convencionales se pueden presentar uno o varios mecanismos. En la figura3.11 se representan esquem´aticamente estos mecanismos.

Tipo de sinterizaci´on Mecanismo de transporte de materia Origen de la materia Destino de la materia Contracci´on

Fase s´olida Difusi´on por volumen (2)Superficie Cuello no (5)Borde de grano Cuello si (6)Dislocaciones Cuello si (1)Difusi´on por superficie Superficie de la part´ıcula Cuello no (4)Difusi´on por limite de grano Bordes de grano Cuello si

Fase Liquida Difusi´on y flujo viscoso

Borde de

grano Cuello si

Fase Vapor (3)Evaporaci´on -

Condensaci´on Superficie Cuello no

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Figura 3.11: Mecanismos y caminos de transporte

B´asicamente el flujo de masa tiene dos posibles caminos: 1) a trav´es del volumen de la part´ıcula o 2) sobre la superficie de la part´ıcula. Los poros son grandes acumulaciones de vacancias, los mecanismos de sinterizaci´on describen como estas vacancias son ani- quiladas. Las vacancias y ´atomos se mueven a lo largo de las superficies de las part´ıculas (difusi´on superficial), a trav´es de los poros (evaporaci´on-condensaci´on), a trav´es de los bordes de grano (difusi´on por borde de grano) y a trav´es de la red cristalina (difusi´on en volumen).

El transporte de masa a lo largo de la superficie de la part´ıcula no conduce a la densi- ficaci´on, los centros de las part´ıculas no se acercan siempre que el origen de la materia sea la misma superficie de la part´ıcula. La difusi´on superficial es dominante en la primer etapa del sinterizado.

El transporte de masa a trav´es del volumen promueve el crecimiento del cuello y el acer- camiento de los centros de las part´ıculas y, por lo tanto, la densificaci´on solo ocurrir´a si la materia proviene del interior de la part´ıcula. Los mecanismos de transporte de masa por el volumen incluye a la difusi´on a trav´es del volumen, difusi´on a trav´es de borde

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de grano, flujo pl´astico y flujo viscoso. El flujo pl´astico es importante en el periodo de calentamiento especialmente en polvos con gran concentraci´on inicial de dislocaciones. El flujo viscoso es importante en materiales que presentan una fase liquida en borde de granos. La difusi´on a trav´es de borde de grano es muy importante en materiales cristalinos y domina la densificaci´on.

Los modelos propuestos en la bibliograf´ıa aceptan como mecanismo de transporte de masa a la difusi´on superficial durante las tres etapas del sinterizado. Especial importancia se le presta a los mecanismos de sinterizaci´on en fase l´ıquida y fase vapor debido a las temperaturas a las cuales se sinteriza la aleaci´on de magnesio AZ91D.

3.3.3.1. Difusi´on superficial de vacancias

Para la primera etapa del sinterizado se considera como mecanismo preponderante a la difusi´on superficial de vacancias. Kelvin y Thompson demostraron que en la proximidad de las superficies c´oncavas (r<0, los radios de curvatura son positivos cuando apuntan hacia el interior de la fase condensada y negativos en caso contrario) exist´ıa un exceso de vacancias con respecto a la concentraci´on de vacancias en la superficie plana y que en la proximidad de las superficies convexas (r>0) exist´ıa un defecto de vacancias con respecto a la concentraci´on de vacancias de la superficie plana. Este exceso (o defecto) de vacancias no es mas que un gradiente de concentraciones que generar´an un flujo (o difusi´on) de vacancias desde las superficies c´oncavas (cuellos) a las convexas (superficie de las part´ıculas) a lo que corresponder´a un flujo de ´atomos en sentido contrario. Este mecanismo no produce densificaci´on (ver figura3.12).

(a) (b)

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3.3.3.2. Sinterizado en presencia de fase l´ıquida

El sinterizado por fase l´ıquida incluye la presencia de l´ıquidos viscosos a la temperatura de sinterizado. Hay presencia de una fase solida para asegurar la estabilidad de forma. En el sinterizado de polvos met´alicos, se mezclan por lo menos dos polvos de distinto punto de fusi´on. El que se encuentra en menor proporci´on debe ser el de menor punto de fusi´on, para que cuando sea alcanzada la temperatura (su temperatura de fusi´on) moje a las part´ıculas del otro polvo. Es por lo tanto condici´on necesaria que la fase liquida moje por completo las part´ıculas solidas. Bajo esta circunstancia, el mecanismo de sinterizado es el de flujo viscoso (ver figura3.13).

Figura 3.13:Las part´ıculas de menor punto de fusi´on cambian a fase liquida rodeando

a las part´ıculas de mayor punto de fusi´on, sin perderse la integridad del compacto.

Por otro lado existe una variante del sinterizado en fase liquida y se denomina sinte- rizaci´on supers´olidus. En este caso el polvo que se quiere sinterizar esta pre-aleado y la temperatura de sinterizado es lo suficientemente alta para que se encuentre entre la linea de solidus y liquidus. De esta manera se forma una fase liquida preferentemente en los bordes de grano y en regiones de las part´ıculas en contacto. El principal mecanismo en este tipo de sinterizaci´on es el flujo viscoso y es el responsable de las fuerzas de ca- pilaridad. La figura 3.14ilustra las etapas asociadas a la sinterizaci´on supers´olidus. En secuencia las etapas son:

Formaci´on del liquido.

Fragmentaci´on de la part´ıculas. Reordenamiento de los fragmentos.

Re-empaquetamiento y deslizamiento de granos con la consiguiente eliminaci´on de poros.

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Figura 3.14: Las tres etapas de la sinterizaci´on supers´olidus.

La principal ventaja del sinterizado supers´olidus es que da lugar a una sinterizaci´on r´apida, ya que el l´ıquido proporciona una mayor difusi´on at´omica en relaci´on a otros mecanismos de sinterizaci´on. Un problema com´un es el hundimiento del compacto que se caracteriza por una distorsi´on en la forma del compacto, y que suele deberse a un exceso de l´ıquido.

3.3.3.3. Evaporaci´on - condensaci´on

La sinterizaci´on en fase vapor solo es importante en procesos efectuados a elevada tem- peratura, pr´oxima a la de fusi´on de las part´ıculas que constituyen el aglomerado poroso. Seg´un el diagrama de fase de la aleaci´on Al-Mg (ver figura2.1) y el caso particular de la aleaci´on AZ91D, pude verse que a temperaturas de aproximadamente 500◦C ya existe una fase liquida. En este tipo de sinterizaci´on la energ´ıa que impulsa al proceso es la diferencia de presiones de vapor debido a las curvaturas superficiales de las part´ıculas. Este mecanismo corresponde al n´umero tres de la figura 3.11.

El material es transportado desde las superficies de las part´ıculas, las cuales tiene un radio positivo de curvatura y una presi´on de vapor mayor a la de una superficie plana, a las regiones de contacto entre las part´ıculas, las cuales tiene un radio negativo de curvatura y una presi´on de vapor menor que la correspondiente a una superficie plana. Cuando m´as peque˜nas sean las part´ıculas, su radio de curvatura y su fuerza motriz para el transporte por fase vapor ser´an mayores. Esta diferencia en las presiones de vapor tiende a transferir materia hacia el cuello entre las dos part´ıculas (ver figura 3.15).

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Figura 3.15: Ilustraci´on del movimiento de masa desde las zonas convexas hacia las

zonas c´oncavas.