La hilatura por fusión es una técnica de formación de metales que se utiliza típicamente para formar cintas delgadas de metal o aleaciones con una estructura atómica particular. [1]
Algunas aplicaciones comerciales importantes de los metales hilados en fusión incluyen transformadores de alta eficiencia ( transformador de metal amorfo ), dispositivos sensoriales, equipos de telecomunicaciones y electrónica de potencia. [2]
Un proceso típico de hilatura por fusión implica fundir metal fundido lanzándolo a una rueda o tambor giratorio, que se enfría internamente, generalmente con agua o nitrógeno líquido . El material fundido solidifica rápidamente al entrar en contacto con la gran superficie fría del tambor. La rotación del tambor elimina constantemente el producto solidificado al tiempo que expone una nueva superficie a la corriente de metal fundido, lo que permite una producción continua. La cinta resultante se dirige luego a lo largo de la línea de producción para ser empaquetada o mecanizada en otros productos. [3] [4]
Las velocidades de enfriamiento que se pueden lograr mediante la hilatura en masa fundida son del orden de 10 4 –10 6 kelvin por segundo (K / s). En consecuencia, la hilatura por fusión se utiliza para desarrollar materiales que requieren velocidades de enfriamiento extremadamente altas para su formación, como los vidrios metálicos . Debido a su rápido enfriamiento, estos productos tienen una estructura atómica muy desordenada que les confiere propiedades físicas y magnéticas únicas ( ver metales amorfos ). [3] [5] [6]
Varias variaciones del proceso de hilado por fusión proporcionan ventajas específicas. Estos procesos incluyen fundición de flujo plano , hilatura por fusión de rodillos gemelos e hilatura por fundición de expulsión automática.
Originado con Robert Pond en una serie de patentes relacionadas desde 1958-1961 (Patentes de EE. UU. Nos. 2825108, 2910744 y 2976590), el concepto actual de la hiladora de fusión fue esbozado por Pond y Maddin en 1969, aunque, al principio, el líquido era templado en la superficie interior de un tambor. Liebermann y Graham desarrollaron aún más el proceso como una técnica de colada continua en 1976, esta vez en la superficie exterior del tambor. [7] El proceso puede producir continuamente cintas delgadas de material, con láminas de varias pulgadas de ancho disponibles comercialmente. [8]
Proceso
En la hilatura por fusión, la aleación o el metal se funde primero en un crisol . Luego, se usa un gas inerte , generalmente argón , para expulsar el material fundido de una boquilla ubicada en la parte inferior del crisol. La corriente de líquido resultante se dirige a la superficie circunferencial exterior de una rueda o tambor giratorio que se enfría internamente. La superficie exterior del tambor está ubicada muy cerca de la boquilla, pero no la toca. Generalmente, la velocidad de la superficie del tambor debe estar entre 10 m / sy 60 m / s para evitar la formación de glóbulos (gotitas) o rotura de la cinta respectivamente. Una vez que la corriente entra en contacto con la superficie del tambor, se forma un pequeño charco de masa fundida (material fundido). Debido a la baja viscosidad de la masa fundida, las fuerzas de cizallamiento generadas por el movimiento relativo de la superficie del tambor debajo de la masa fundida solo se extienden unas pocas micras en el charco. En otras palabras, solo una pequeña parte del charco se ve afectada por la fricción de la rotación del tambor. En consecuencia, a medida que el tambor gira, la mayor parte del charco de masa fundida permanece retenido entre la boquilla y el tambor por la tensión superficial . Sin embargo, la masa fundida en el fondo del charco, que está en contacto directo con el tambor, se solidifica rápidamente en una delgada cinta. La cinta solidificada se aleja de debajo de la boquilla en la superficie del tambor hasta 10 ° de rotación antes de que la fuerza centrífuga de la rotación del tambor la expulse. [1] [4] [9]
Este proceso ocurre continuamente, de modo que a medida que se retira el material solidificado de debajo del charco de masa fundida, se agrega más material líquido al charco desde la boquilla.
Factores variables
Hay muchos factores en juego incluso en un proceso básico de hilado por fusión. La calidad y las dimensiones del producto están determinadas por cómo se opera y configura la máquina. En consecuencia, hay muchos estudios que exploran los efectos de las variaciones en la configuración de la hiladora de fusión en aleaciones específicas. Por ejemplo, aquí hay un artículo sobre las condiciones específicas que se encontró que funcionan bien para el hilado en fusión de aleaciones Fe-B y Fe-Si-B.
En general, las hiladoras de masa fundida funcionarán con alguna variación en las siguientes variables dependiendo del producto deseado.
- Espacio de la boquilla: La distancia entre la boquilla y el tambor enfriado. Afecta principalmente al grosor de la cinta.
- Forma de la boquilla: la forma de la boquilla que expulsa el material fundido sobre el tambor. Las boquillas que permiten un charco de fusión más grande en la superficie del tambor dan como resultado cintas más anchas.
- Tasa de flujo: la tasa de flujo de la masa fundida en el tambor. El caudal suele estar estrechamente relacionado con la velocidad de rotación del tambor. Afecta principalmente al ancho y grosor de las cintas.
- Velocidad de rotación: la velocidad a la que gira el tambor. En general, un tambor más rápido produce cintas más delgadas.
- Temperatura del tambor: la temperatura a la que funciona el tambor. Afecta principalmente a la estructura atómica de la cinta resultante. Las diferentes aleaciones se forman mejor a temperaturas específicas.
Dado que cada material actúa de manera diferente, la relación de causa-efecto exacta entre cada una de estas variables y la cinta resultante generalmente se determina experimentalmente. Existen otras variables que se ajustan con menos frecuencia, pero sus efectos en las dimensiones y estructura finales de la cinta no están todos documentados. [1] [10] [11]
Modificaciones
Se han desarrollado diferentes procesos y técnicas en torno a la hilatura por fusión que ofrecen ventajas para las aplicaciones industriales y la consistencia del producto.
Fundición de flujo plano
Planar Flow Casting (PFC) es un proceso de hilado por fusión comúnmente utilizado para la fabricación industrial de láminas de vidrio metálicas anchas. En este proceso, la modificación principal es que se usa una boquilla mucho más ancha para expulsar la masa fundida del crisol. Como resultado, el charco de fusión cubre un área más grande del tambor, que a su vez forma un área más grande de cinta. [9] El PFC se cuela comúnmente al vacío para evitar la oxidación del material fundido, lo que afectaría la calidad del producto resultante. Las cintas de hasta 200 mm de ancho se han logrado industrialmente utilizando PFC. [12]
Centrifugado de doble rollo
En Twin Roll Melt Spinning se utilizan dos rodillos o tambores en lugar de uno. Los rodillos se colocan uno al lado del otro y se giran de modo que el de la izquierda gire en el sentido de las agujas del reloj y el de la derecha gire en sentido contrario. Esta configuración da como resultado que el material que pasa entre los rodillos sea tirado hacia abajo. La masa fundida se inyecta entre los rodillos donde se enfría y se expulsa como una cinta. La ventaja de la hilatura por fusión de rodillos gemelos es que proporciona un alto grado de control sobre el grosor de la cinta resultante. Con un solo rodillo, controlar el grosor de la cinta es complicado, lo que implica un estrecho control sobre el caudal de la masa fundida, la velocidad de rotación de la rueda y la temperatura de la masa fundida. Con la configuración de rodillos gemelos, se puede lograr un grosor particular y uniforme simplemente cambiando la distancia entre los rodillos.
Hasta la fecha, la hilatura por fusión de rodillos gemelos todavía se limita casi exclusivamente a escalas de laboratorio. [13] [14]
Hilatura de fundido de expulsión automática
El centrifugado de fundido por expulsión automática (AEMS) describe un tipo de centrifugado de fundido en el que la expulsión del fundido se produce tan pronto como se ha licuado, lo que elimina la necesidad de que un técnico controle manualmente el caudal, la temperatura y / o el tiempo de liberación de la corriente de fundido. . [1]
Esta modificación permite una consistencia de cinta mucho mayor entre corridas y un mayor nivel de automatización en el proceso.
Producto
La hilatura por fusión se utiliza para fabricar láminas o cintas de metal delgadas que son casi amorfas o no cristalinas . Las propiedades eléctricas y magnéticas únicas resultantes de los metales hilados en fusión son una consecuencia de esta estructura, así como de la composición de la aleación o el metal que se utilizó para formar la cinta.
Estructura
Normalmente, cuando un material metálico se enfría, los átomos individuales solidifican en patrones fuertes y repetidos para formar un sólido cristalino. Sin embargo, en la hilatura de la masa fundida, la masa fundida se apaga (enfría) tan rápidamente que los átomos no tienen tiempo para formar estas estructuras ordenadas antes de solidificarse por completo. En cambio, los átomos se solidifican en posiciones que se asemejan a su estado líquido. Esta estructura física da lugar a las propiedades magnéticas y eléctricas de los metales amorfos. [6]
Propiedades eléctricas y magnéticas
El material amorfo producido por hilado en fusión se considera un imán blando. Es decir, su coercitividad natural es inferior a 1000 Am-1, lo que significa que el magnetismo del metal responde mejor a las influencias externas y, como resultado, se puede encender y apagar fácilmente. Esto hace que los metales amorfos sean particularmente útiles en aplicaciones que requieren la magnetización y desmagnetización repetidas de un material para funcionar. Ciertas aleaciones amorfas también brindan la capacidad de mejorar o canalizar el flujo creado por las corrientes eléctricas, lo que las hace útiles para el blindaje y el aislamiento magnéticos.
Las propiedades magnéticas exactas de cada aleación dependen principalmente de la composición atómica del material. Por ejemplo, las aleaciones de níquel-hierro con una menor cantidad de níquel tienen una alta resistencia eléctrica , mientras que aquellas con un mayor porcentaje de níquel tienen una alta permeabilidad magnética . [15] [2]
Ver también
Referencias
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- ^ "Materiales magnéticos: imanes blandos" (PDF) . Universidad de Birmingham .
enlaces externos
- Video de YouTube del proceso de hilado en fusión.
- Un ejemplo de un hilandero de fusión http://www.arcastinc.com/meltspin.htm .