Materiales compuestos de matriz metalica

Composite o Material compuesto.- Es una combinación de materiales constituido a partir de la unión de dos o más componentes, que da lugar a un nuevo material con nuevas propiedades y características.

Estas nuevas propiedades del composite no son alcanzables por cada uno de los materiales predecesores de manera aislada.

Todo composite ha de tener una matriz y uno o varios reforzantes, divididos por una interfase ubicada entre ambos componentes.

Presenta propiedades inferiores que las fibras continuas , menor coste

Son cortas

Ejemplo:

Los whiskers tienen diámetros menores a 1 mm y pueden tener una longitud de hasta 100 mm

Mas usados SiC y Si3N4

Uso restringido a causa de su carácter nocivo para la salud humana

Su diámetro, conduce a que tengan pocos defectos internos, presentando mayores niveles de resistencia que otras fibras discontinuas

• Es de gran importancia que las partículas de los polvos metálicos y refuerzos estén uniformemente distribuidas en la mezcla, a fin de obtener una estructura homogénea

• Fabricación:

Mezcla de polvos metálicos finos y refuerzos, en estado sólido

Compactación

Se calientan en atmosfera controlada (sinterizado0

Consolidación

DIAGRAMA DE PROCESO

PULVIMETALURGIA

Se basa en: producción de polvos vía atomización por gas.

Consiste en la atomización de un chorro de metal líquido por la acción de un haz de gas inerte.

Fabricación:

Se introducen partículas de refuerzo dentro del chorro de atomización

Estas son codepositadas e incorporadas a la aleación solidificada.

LAMINADO

SPRAY FORMING

EXTRUSION

A continuación, tiene lugar una etapa secundaria de procesado:

Extrusión

Laminado

Para propiciar la densidad total del material.

DIAGRAMA DE PROCESO

Recolada

Mezclador-homogeneizador cizalla

DIAGRAMA DE PROCESO

Compuesto de matriz metalica, de aluminio y carburo de silicio

Matriz de magnesio

35% más ligero que el aluminio

Presente en una gran gama de aleaciones

Carece de propiedades frente a la corrosión

Función:

Protege el refuerzo del ambiente exterior

Evita propagación de grietas

Mantiene alineadas las fibras del refuerzo

Da resistencia a la corrosión u oxidación, además de resistencia mecánica

Coeficiente de expansión térmica.- El valor del coeficiente de expansión térmica en MMC's depende de la fracción en volumen de refuerzo, así como de su forma y distribución en la aleación base. Este valor puede verse modificado por el estado de precipitación de la matriz.

Conductividad térmica.- La conductividad térmica de la aleación monolítica se reduce con un refuerzo cerámico discontinuo. La importancia de esta reducción depende, principalmente, de la fracción en volumen y distribución del refuerzo.

Partículas negras distribuidas en forma individual y longitudinal en matriz de revestimiento.

Matriz de titanio

Mejor relación resistencia/densidad

Elevado punto de fusión mantiene resistencia a altas temperaturas

Resistente a corrosión y oxidación

Uso: fabricación de motores

- Región de composición química variable

- Unión entre matriz y refuerzo, asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos

- Condiciona las propiedades mecánicas finales de los compuestos

Parámetros para obtener una interfase ideal

- El mojado

- Deben existir fuerzas de unión suficientes para transmitir los esfuerzos de la matriz al refuerzo

- Las uniones deben ser estables en el tiempo y sobre todo en el rango de temperaturas de utilización del compuesto

- Las zonas de reacción entre la matriz y el refuerzo deben ser reducidas y no afectar a los elementos de refuerzo

- Los coeficientes de dilatación térmica de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de tensiones internas a través de la interfase

Limite elástico.- Es la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. La adición de refuerzos discontinuos en valores del 5 % o más, produce un aumento del límite elástico.

Los materiales metálicos de uso más común son las aleaciones de:

Aluminio (Al)

Titanio (Ti)

Magnesio (Mg)

Función:

Soporta las tensiones a las que se expone los compuestos.

Aumentar características mecánicas de la matriz, su dureza y resistencia al desgaste.

Detienen la propagación de grietas y fisuras

Matriz de aluminio

El mas usado

Ligero

Económico

Uso: industria aeronáutica

Dentro de las propiedades físicas de los MMC’s podemos destacar las más relevantes:

Propiedades mecánicas

Propiedades térmicas

Propiedades eléctricas

Fibra discontinua

Partículas

Se realiza un esfuerzo de cizalla (tipo de agitación mecánica)

en el metal liquido durante la solidificación, impidiendo la formación de estructura dendrítica, promoviendo la formación de estructura esferoidal.

Continuas

Discontinuas

Partículas

Fase dispersa más dura y rígida que la matriz

Partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la fase matriz en las proximidades de cada partícula

En los materiales compuestos consolidados por dispersión, las partículas generalmente son mucho más pequeñas

Generan bajos costos

Como ejemplo se puede citar a óxidos, carburos y nitruros

Fase continua (MATRIZ)

Ejemplo

Fibra BORSIC, fibras de boro formadas sobre una alma de W y revestimiento de CSi.

Las fibras más empleadas como refuerzo son B, alúmina, CSi.

Fibra continua

INTERFASE matriz-refuerzo

moléculas

Mas usadas

No se disuelven en la matriz

Mantienen su resistencia a altas temperaturas

Tienen alto módulo de elasticidad

No se oxidan

Baja densidad

Menos usadas

Problemas de ataque químico por parte de la matriz

Posibles cambios estructurales con la temperatura elevada

Posible disolución de la fibra en la matriz

Fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb)

Partículas

Fibras

Fibras metálicas

Fibras cerámicas

a) Fractura frágil.

b) Fractura Dúctil.

c) Fractura totalmente dúctil.

• La corrosión es el deterioro de un material metálico a consecuencia de un ataque de su entorno (aire, agua, etc).
• La oxidación es el ataque superficial del oxígeno (normalmente del aire o del agua) a un material produciendo en el material una corrosión posterior.

Son poco resistentes a la oxidación y corrosión:

Debido a su dureza, tiene una mayor probabilidad de Fractura (dúctil en la matriz y frágil en el refuerzo), si la fuerza aplicada es demasiada.

Fractura dúctil.- ocurre cuando hay una deformación plástica.

Fractura frágil.- existe poca o nula deformación plástica.

Tienen costos de producción elevados.

Desventajas

Todas las ventajas ofrecidas por los MMC's posibilitan

una serie de aplicaciones en diferentes sectores

de la industria:

• Industria aeronáutica

• Industria automotriz

• Industria de armamento

• Industria electrónica

Fase DISPERSA (REFUERZO)

Las nuevas propiedades del composite no son alcanzables por cada uno de los materiales predecesores, (matriz y refuerzo), de manera aislada:

Mayor resistencia a temperaturas altas, peso, fatiga.

Tienen una vida útil mas duradera.

Mejor conductividad eléctrica y térmica.

Compuestos reciclables.

Endurecimiento mas veloz.

Tipos de refuerzo

Es el conformado de un material en estado parcialmente solidificado.

Este presenta dificultades con el carácter dendrítico de la solidificación, provocando imposibilidad de verter fácilmente la aleación en un molde cuando la fracción solidificada sea entre 20 y 30 %, el material no es capaz de llenar el molde sin grietas.

Peso ligero: ahorro de combustible

Sector de construcción

Restauración

Mejora la eficiencia de la energía renovable

Perdida de la capacidad neutralizante del suelo y el agua

Contaminación del aire

Beneficios

Ventajas

Usos

Lluvia ácida

Pistones de motor formados por MMC de aluminio, realizados por la empresa Toyosa

Discos de freno realizados por la empresa Lanxide formador por MMC: SiC-Al2O3

Durante varios años de la presente década se han realizado enormes esfuerzos con el desarrollo de las tecnologías de fabricación de Composites de matriz metálica, lo que ha permitido la disminución de los precios y, sobre todo, su progresiva introducción en componentes comerciales

Propiedades físicas

PROPIEDADES TÉRMICAS

Se espera que la demanda de producción de este material sea de más de 10000 Toneladas Kilo en el año 2020.

Fase dispersa (refuerzo): protege y da cohesión al material

Efecto invernadero

Incremento del gas CO2.

Alteración de temperaturas

Estos últimos años los compuestos de matriz de Aluminio se han vuelto materiales muy comerciales por su requerimiento en la industria aeronáutica y aeroespacial, la cual cada vez crece más.

En el desarrollo industrial de fabricación a gran escala de Composites de Matriz Metálica, existen empresas norteamericanas como: Alcan, Lanxide, Duralcan Co. Empresas japonesas como: Toyota, Honda y europeas como: Hydro-Aluminium, BP.

Además de fabricantes a gran escala de MMC de altas prestaciones para aeronáutica o espacio (principalmente titanio reforzado), como son la americana Textron o la DERA británica

Los MMC's experimentan un aumento en el módulo de elasticidad y resistencia a la tracción a elevadas temperaturas respecto a las aleaciones no reforzadas.

Resistencia a la Fatiga.- La fatiga es un fenómeno que conduce a la rotura de un material a causa de un uso continuo de operaciones que provoquen desgaste o agrietamiento en dicho material.

La mejora en el comportamiento a la fatiga es una de las características que hacen atractivos a los MMC's, pues es debido al tamaño de sus refuerzos.

Aspectos económicos

Los materiales compuestos de matriz metálica, poseen una muy buena capacidad de conductividad eléctrica gracias a su matriz metálica.

Son usados para los circuitos electrónicos, mas que por su conductividad eléctrica, es por su buena resistencia al calor. Este tipo de utilidades son gracias a un MMC’s reforzado con cobre.

REOFUSION O REOCOLADA

Endurecimiento.- Velocidad de endurecimiento tras el límite elástico. Se ha observado que esta velocidad aumenta con la relación longitud-diámetro de las partículas de refuerzo

Resistencia a la tracción.- Máximo esfuerzo que soporta un material antes de romperse por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto. Se puede alcanzar un mayor aumento de resistencia mediante la reducción del tamaño de las partículas de refuerzo.

Modulo de elasticidad.- Medida de rigidez del material, mientras mayor el valor, más rígido el material. Los refuerzos cerámicos discontinuos de alto módulo, añadidos a matrices metálicas, producen un aumento de la rigidez del compuesto.

Fase continua (matriz): da resistencia térmica y ambiental

Aspectos Relacionados al medio ambiente

Los “composites” presentan dos fases:

: http://www.monografias.com/trabajos61/materiales-compuestos-aluminio/materiales-compuestos-aluminio.shtml#ixzz4KBOFlDr5

http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/07/materiales-compuestos.html

https://www.scribd.com/doc/51659548/Materiales-compuestos-de-matriz-metalica

https://prezi.com/jodoglxwttqp/presentacion-mmcs/

En Latinoamérica el número de proyectos relacionados con los MMC es muy escaso.

La mayor parte de ellos se centran en aspectos muy puntuales como caracterización de materiales comerciales e investigación básica, hay muy poco esfuerzo hacia el desarrollo de componentes reales, procesos de fabricación al nivel de planta piloto o investigación en nuevos MMC.

Japón y Estados Unidos son los mayores productores de MMC´S, esto atribuido a el dominio del mercado tanto en comercialización como en producción por demanda de industrias automotrices, aeroespaciales y electrónicas.

DIAGRAMA DE PROCESO

Squeeze Casting

PROPIEDADES MECÁNICAS

Bibliografia

Fases

Pistón de motor

• Importante:
• Tener control de temperatura de la preforma y del metal liquido, ciclo de presión y condiciones de solidificación
• Se utiliza para producir piezas como pistones de motores donde se desea reforzar solamente ciertas partes

PROPIEDADES ELÉCTRICAS

Materiales compuestos de matriz metálica

Integrantes

Carlos Ardaya

Daniela Uria

CLASIFICACIÓN DE LOS MMC’s

Procesos Productivos

Los refuerzos mas utilizados son “whiskers” de Si C y en general fibras cortas, los pasos del proceso productivo son:

• Se fabrica una preforma
• Se la coloca en la matriz
• Se adiciona metal liquido
• Se aplica presión infiltrando el metal liquido en la preforma

Introducción

Squeeze casting

Matriz.- Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se lo puede distinguir por ser un material continuo a simple vista. Se encuentra en mayor cantidad que el refuerzo.

Fase de Refuerzo.- Es el segundo componente de un material compuesto. Tiene como función mejorar las propiedades físicas y químicas de la matriz para formar un nuevo composite. Se encuentra en menor cantidad que la matriz.

Interfase.- Es la zona de contacto entre la matriz y el refuerzo, en donde puede existir o no interacción química entre ambos. Condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales compuestos.

Pistones de motor

Podrían incluirse dos grandes familias de materiales:

1) Materiales destinados para aplicaciones de corte y desgaste como ser carburos cementados y aceros reforzados con carburos.

Se basa en matrices de metales de transición (Co, Fe, Ni).

Materiales compuestos de matriz polimérica (PMC)

Importante:

Tener control de temperatura de la preforma y del metal liquido, ciclo de presión y condiciones de solidificación.

Se utiliza para producir piezas como pistones de motores donde se desea reforzar solamente ciertas partes.

Se fabrica una preforma

Los refuerzos mas utilizados son “whiskers” de Si C y en general fibras cortas, los pasos del proceso productivo son:

Se la coloca en la matriz

Se adiciona metal liquido

Se aplica presión infiltrando el metal liquido en la preforma

Es el conformado de un material en estado parcialmente solidificado.

Este presenta dificultades con el carácter dendrítico de la solidificación, que provoca la imposibilidad de verter fácilmente la aleación en un molde cuando la fracción solidificada sea entre 20 y 30 %, el material no es capaz de llenar el molde sin grietas.

La introducción de un elevado esfuerzo de cizalla (tipo de agitación mecánica) en el metal liquido durante la solidificación, impide la formación de esta estructura dendrítica promoviendo la aparición de una estructura esferoidal.

El mayor problemas en la fabricación es conseguir un mojado suficiente entre el baño metálico y el refuerzo.

Squeeze casting

Materiales compuestos de matriz cerámica (CMC)

REOFUSION O REOCOLADA

Existe una clasificación de los materiales compuestos según el tipo de matriz utilizado, estos son los tres grupos principales:

MATERIAS PRIMAS DE LOS MMC's

Matriz metálica.-

Las aleaciones más comúnmente empleadas en matriz metálica son los metales ligeros:

El aluminio en especial las series 2000(aleación con cobre), 6000 (aleación con magnesio), 7000 y 8000 (aleaciones con zinc).

El titanio y sus aleaciones.

El magnesio y sus aleaciones (que presentan graves problemas de corrosión.)

Refuerzo.-

Podemos distinguir tres tipos de refuerzos:

Fibras continuas.- Las fibras más empleadas como refuerzo son las de boro, alúmina (óxido de aluminio) y carburo de silicio. Éstas aportan alta resistencia y alta rigidez.

Fibras discontinuas.- Conducen a propiedades inferiores que las fibras continuas. Los principales y disponibles comercialmente son las de SiC (carburo de silicio) y Si3N4.

Partículas.- Es el refuerzo de menor coste económico. Los más típicos en forma de partículas son la mica, óxidos (como SiO2, TiO2, ZrO2, MgO) y nitruros (Si3N4).

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA (MMC)

Los MMCs forman un grupo de materiales de los más estudiados en las dos últimas décadas. Por la década de los 60’s, aparecen por primera vez como proyecto militar en EEUU. 20 años después es que se hace uso de los MMCs con fines no militares en la industria automotriz Toyota.

Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico.

Los MMC’s son constituidos por dos materiales disímiles; una matriz metálica y un reforzante.

Materiales compuestos de matriz metálica (MMC)

2) Materiales de alta rigidez, resistencia y módulo específico, normalmente destinados para aplicaciones estructurales en la industria automotriz o aeronáutica.

Matrices hechas con aleaciones ligeras (Al, Ti, Mg).

Constitución química