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El calor y la compactación fusionan pequeñas partículas en una masa densa
Nódulos de clínker producidos por sinterización

La sinterización o frita es el proceso de compactar y formar una masa sólida de material por calor [1] o presión [2] sin fundirla hasta el punto de licuefacción .

La sinterización ocurre naturalmente en depósitos minerales o como parte de un proceso de fabricación utilizado con metales , cerámica , plásticos y otros materiales. Los átomos de los materiales se difunden a través de los límites de las partículas, fusionando las partículas y creando una pieza sólida. Debido a que la temperatura de sinterización no tiene que alcanzar el punto de fusión del material, la sinterización se elige a menudo como el proceso de conformación para materiales con puntos de fusión extremadamente altos como el tungsteno y el molibdeno . El estudio de la sinterización en procesos metalúrgicos relacionados con polvos se conoce como pulvimetalurgia.. Un ejemplo de sinterización se puede observar cuando los cubitos de hielo en un vaso de agua se adhieren entre sí, lo que es impulsado por la diferencia de temperatura entre el agua y el hielo. Ejemplos de sinterización impulsada por presión son la compactación de la nieve en un glaciar o la formación de una bola de nieve dura al presionar la nieve suelta para juntarla.

La palabra "sinter" proviene del alemán medio alto sinter , un afín del inglés " cinder ".

Sinterización general [ editar ]

Sección transversal de una herramienta de sinterización y la pieza sinterizada

La sinterización es eficaz cuando el proceso reduce la porosidad y mejora propiedades como resistencia, conductividad eléctrica , translucidez y conductividad térmica ; sin embargo, en otros casos, puede ser útil aumentar su resistencia pero mantener constante su absorbencia de gas como en los filtros o catalizadores. Durante el proceso de cocción, la difusión atómica impulsa la eliminación de la superficie del polvo en diferentes etapas, desde la formación de cuellos entre los polvos hasta la eliminación final de los pequeños poros al final del proceso.

La fuerza impulsora para la densificación es el cambio en la energía libre a partir de la disminución del área de la superficie y la disminución de la energía libre de la superficie mediante el reemplazo de las interfaces sólido-vapor. Forma interfaces sólido-sólido nuevas pero de menor energía con una disminución total en la ocurrencia de energía libre. A escala microscópica, la transferencia de material se ve afectada por el cambio de presión y las diferencias de energía libre en la superficie curva. Si el tamaño de la partícula es pequeño (y su curvatura es alta), estos efectos se vuelven muy grandes en magnitud. El cambio de energía es mucho mayor cuando el radio de curvatura es inferior a unos pocos micrómetros, que es una de las principales razones por las que gran parte de la tecnología cerámica se basa en el uso de materiales de partículas finas. [3]

Para propiedades como resistencia y conductividad, el área de unión en relación al tamaño de partícula es el factor determinante. Las variables que se pueden controlar para cualquier material dado son la temperatura y el tamaño de grano inicial, porque la presión de vapor depende de la temperatura. A lo largo del tiempo, el radio de las partículas y la presión de vapor son proporcionales a (p 0 ) 2/3 y a (p 0 ) 1/3 , respectivamente. [3]

La fuente de energía para los procesos de estado sólido es el cambio en la energía potencial química o libre entre el cuello y la superficie de la partícula. Esta energía crea una transferencia de material a través de los medios más rápidos posibles; si la transferencia tuviera lugar desde el volumen de partículas o el límite de grano entre partículas, entonces habría reducción de partículas y destrucción de poros. La eliminación de los poros se produce más rápidamente para un ensayo con muchos poros de tamaño uniforme y mayor porosidad donde la distancia de difusión límite es menor. Para las últimas porciones del proceso, el límite y la difusión reticular desde el límite se vuelven importantes. [3]

El control de la temperatura es muy importante para el proceso de sinterización, ya que la difusión del límite de grano y la difusión del volumen dependen en gran medida de la temperatura, el tamaño y la distribución de las partículas del material, la composición de los materiales y, a menudo, el entorno de sinterización que se va a controlar. [3]

Sinterización de cerámica [ editar ]

La sinterización es parte del proceso de cocción utilizado en la fabricación de cerámica y otros objetos cerámicos. Estos objetos están hechos de sustancias como vidrio , alúmina , zirconia , sílice , magnesia , cal , óxido de berilio y óxido férrico . Algunas materias primas cerámicas tienen menor afinidad por el agua y menor índice de plasticidad que la arcilla , requiriendo aditivos orgánicos en las etapas previas a la sinterización. El procedimiento general de creación de objetos cerámicos mediante la sinterización de polvos incluye:

  • Mezclar agua, aglutinante , desfloculante y polvo cerámico sin cocer para formar una suspensión ;
  • Secado por aspersión de la lechada;
  • Poner el polvo secado por pulverización en un molde y presionarlo para formar un cuerpo verde (un artículo de cerámica sin sinterizar);
  • Calentar el cuerpo verde a baja temperatura para quemar el aglutinante;
  • Sinterizado a alta temperatura para fusionar las partículas cerámicas.

Todas las temperaturas características asociadas con la transformación de fase, las transiciones del vidrio y los puntos de fusión, que ocurren durante un ciclo de sinterización de una formulación de cerámica particular (es decir, colas y fritas) se pueden obtener fácilmente observando las curvas de temperatura de expansión durante el análisis térmico del dilatómetro óptico . De hecho, la sinterización está asociada a una notable contracción del material porque las fases vítreas fluyen una vez alcanzada su temperatura de transición, y comienzan a consolidar la estructura pulverulenta y reducen considerablemente la porosidad del material.

La sinterización se realiza a alta temperatura. Además, se podría utilizar una segunda y / o tercera fuerza externa (como presión, corriente eléctrica). Una segunda fuerza externa comúnmente utilizada es la presión. Por lo tanto, la sinterización que se realiza solo usando la temperatura generalmente se denomina "sinterización sin presión". La sinterización sin presión es posible con compuestos metal-cerámicos graduados, con un coadyuvante de sinterización de nanopartículas y tecnología de moldeo a granel. Una variante utilizada para formas 3D se llama prensado isostático en caliente .

Para permitir un apilado eficiente del producto en el horno durante la sinterización y para evitar que las piezas se peguen, muchos fabricantes separan los artículos utilizando láminas separadoras de polvo cerámico. Estas láminas están disponibles en varios materiales como alúmina, zirconia y magnesia. Además, se clasifican por tamaños de partículas finas, medianas y gruesas. Al hacer coincidir el material y el tamaño de partícula con el material que se sinteriza, se pueden reducir el daño y la contaminación de la superficie mientras se maximiza la carga del horno.

Sinterización de polvos metálicos [ editar ]

Polvo de hierro

La mayoría, si no todos, los metales se pueden sinterizar. Esto se aplica especialmente a los metales puros producidos al vacío que no sufren contaminación superficial. La sinterización a presión atmosférica requiere el uso de un gas protector, a menudo gas endotérmico . La sinterización, con la posterior reelaboración, puede producir una gran variedad de propiedades del material. Los cambios en la densidad, la aleación y los tratamientos térmicos pueden alterar las características físicas de varios productos. Por ejemplo, el módulo E n de Young de los polvos de hierro sinterizado permanece algo insensible al tiempo de sinterización, la aleación o el tamaño de partícula en el polvo original para temperaturas de sinterización más bajas, pero depende de la densidad del producto final:

donde D es la densidad, E es el módulo de Young yd es la densidad máxima del hierro.

La sinterización es estática cuando un polvo metálico en determinadas condiciones externas puede presentar coalescencia y, sin embargo, vuelve a su comportamiento normal cuando se eliminan dichas condiciones. En la mayoría de los casos, la densidad de una colección de granos aumenta a medida que el material fluye hacia los huecos, provocando una disminución en el volumen general. Los movimientos de masa que se producen durante la sinterización consisten en la reducción de la porosidad total por reenvasado, seguido del transporte de material debido a la evaporación y la condensación por difusión . En las etapas finales, los átomos de metal se mueven a lo largo de los límites de los cristales hasta las paredes de los poros internos, redistribuyendo la masa de la masa interna del objeto y alisando las paredes de los poros. La tensión superficial es la fuerza impulsora de este movimiento.

Una forma especial de sinterización (que todavía se considera parte de la pulvimetalurgia) es la sinterización en estado líquido en la que al menos uno, pero no todos los elementos, están en estado líquido. Se requiere sinterización en estado líquido para fabricar carburo cementado y carburo de tungsteno .

El bronce sinterizado en particular se utiliza con frecuencia como material para cojinetes , ya que su porosidad permite que los lubricantes fluyan a través de él o permanezcan atrapados en él. El cobre sinterizado se puede utilizar como estructura de mecha en ciertos tipos de construcción de tubería de calor , donde la porosidad permite que un agente líquido se mueva a través del material poroso a través de la acción capilar . Para materiales que tienen altos puntos de fusión como molibdeno , tungsteno , renio , tantalio , osmio y carbono., la sinterización es uno de los pocos procesos de fabricación viables. En estos casos, es deseable una porosidad muy baja y, a menudo, se puede lograr.

El polvo de metal sinterizado se usa para hacer cartuchos de escopeta frangibles llamados rondas de ruptura , como lo usan los equipos militares y SWAT para forzar rápidamente la entrada a una habitación cerrada. Estos cartuchos de escopeta están diseñados para destruir cerrojos, cerraduras y bisagras de las puertas sin arriesgar vidas rebotando o volando a una velocidad letal a través de la puerta. Funcionan destruyendo el objeto que golpean y luego dispersándose en un polvo relativamente inofensivo.

El bronce sinterizado y el acero inoxidable se utilizan como materiales filtrantes en aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas y, al mismo tiempo, mantienen la capacidad de regenerar el elemento filtrante. Por ejemplo, los elementos de acero inoxidable sinterizado se emplean para filtrar vapor en aplicaciones alimentarias y farmacéuticas, y el bronce sinterizado en sistemas hidráulicos de aviones.

La sinterización de polvos que contienen metales preciosos como la plata y el oro se utiliza para fabricar pequeños artículos de joyería.

Ventajas [ editar ]

Las ventajas particulares de la tecnología en polvo incluyen:

  1. Niveles muy altos de pureza y uniformidad en las materias primas.
  2. Conservación de la pureza, debido al proceso de fabricación posterior más simple (menos pasos) que hace posible
  3. Estabilización de los detalles de las operaciones repetitivas, mediante el control del tamaño de grano durante las etapas de entrada.
  4. Ausencia de contacto de unión entre partículas de polvo segregadas, o "inclusiones" (llamadas "stringering"), como ocurre a menudo en los procesos de fusión.
  5. No se necesita deformación para producir elongación direccional de los granos
  6. Capacidad para producir materiales de porosidad uniforme y controlada.
  7. Capacidad para producir objetos casi con forma de red.
  8. Capacidad para producir materiales que no pueden producirse con ninguna otra tecnología.
  9. Capacidad para fabricar material de alta resistencia como palas de turbina.
  10. Después de la sinterización, la resistencia mecánica a la manipulación aumenta.

La literatura contiene muchas referencias sobre la sinterización de materiales diferentes para producir compuestos sólidos / en fase sólida o mezclas de sólidos / fundidos en la etapa de procesamiento. Casi cualquier sustancia se puede obtener en forma de polvo, ya sea mediante procesos químicos, mecánicos o físicos, por lo que básicamente cualquier material puede obtenerse mediante sinterización. Cuando se sinterizan elementos puros, el polvo sobrante sigue siendo puro, por lo que se puede reciclar.

Desventajas [ editar ]

Las desventajas particulares de la tecnología del polvo incluyen:

  1. El 100% sinterizado (mineral de hierro) no se puede cargar en el alto horno. [ cita requerida ]
  2. La sinterización no puede crear tamaños uniformes.
  3. Las micro y nanoestructuras producidas antes de la sinterización a menudo se destruyen.

Sinterización de plásticos [ editar ]

Los materiales plásticos se forman por sinterización para aplicaciones que requieren materiales de porosidad específica. Los componentes porosos de plástico sinterizado se utilizan en la filtración y para controlar los flujos de fluidos y gases. Los plásticos sinterizados se utilizan en aplicaciones que requieren procesos de separación de fluidos cáusticos, como las puntas en los marcadores de pizarra, filtros de inhaladores y orificios de ventilación para tapas y revestimientos en materiales de embalaje. [4] sinterizado de polietileno de peso molecular ultraalto materiales se utilizan como esquí y de snowboard materiales de base. La textura porosa permite que la cera se retenga dentro de la estructura del material base, proporcionando así un recubrimiento de cera más duradero.

Sinterización en fase líquida [ editar ]

Para materiales que son difíciles de sinterizar, se usa comúnmente un proceso llamado sinterización en fase líquida . Los materiales para los que es común la sinterización en fase líquida son Si 3 N 4 , WC , SiC y más. La sinterización en fase líquida es el proceso de agregar un aditivo al polvo que se derretirá antes de la fase de matriz. El proceso de sinterización en fase líquida tiene tres etapas:

  • Reorganización : a medida que el líquido se derrite, la acción capilar empujará el líquido hacia los poros y también hará que los granos se reorganicen en una disposición de empaque más favorable.
  • Solución-Precipitación : en áreas donde las presiones capilares son altas (las partículas están muy juntas), los átomos se disolverán preferentemente y luego se precipitarán en áreas de menor potencial químico donde las partículas no están cerca o en contacto. Esto se denomina " aplanamiento de contactos ". Esto densifica el sistema de una manera similar a la difusión del límite de grano en la sinterización en estado sólido. La maduración de Ostwald también ocurrirá cuando las partículas más pequeñas se disolverán preferentemente y se precipitarán en partículas más grandes, lo que conducirá a la densificación.
  • Densificación final : densificación de la red esquelética sólida, movimiento de líquidos desde regiones empaquetadas de manera eficiente hacia los poros.

Para que la sinterización en fase líquida sea práctica, la fase principal debería ser al menos ligeramente soluble en la fase líquida y el aditivo debería fundirse antes de que se produzca cualquier sinterización importante de la red de partículas sólidas, de lo contrario no se producirá la reordenación de los granos. La sinterización en fase líquida se aplicó con éxito para mejorar el crecimiento de granos de capas semiconductoras delgadas de películas precursoras de nanopartículas . [5]

Sinterización asistida por corriente eléctrica [ editar ]

Estas técnicas emplean corrientes eléctricas para impulsar o mejorar la sinterización. [6] El ingeniero inglés AG Bloxam registró en 1906 la primera patente sobre polvos de sinterización utilizando corriente continua en vacío . El propósito principal de sus inventos fue la producción a escala industrial de filamentos para lámparas incandescentes compactando partículas de tungsteno o molibdeno . La corriente aplicada fue particularmente eficaz para reducir los óxidos superficiales que aumentaban la emisividad de los filamentos. [7]

En 1913, Weintraub y Rush patentaron un método de sinterización modificado que combinaba corriente eléctrica con presión . Los beneficios de este método se demostraron para la sinterización de metales refractarios , así como polvos conductores de carburo o nitruro . Los polvos de boro - carbono o silicio - carbono de partida se colocaron en un tubo eléctricamente aislante y se comprimieron mediante dos varillas que también sirvieron como electrodos para la corriente. La temperatura de sinterización estimada fue de 2000 ° C. [7]

En los Estados Unidos, la sinterización fue patentada por primera vez por Duval d'Adrian en 1922. Su proceso de tres pasos tenía como objetivo producir bloques resistentes al calor a partir de materiales de óxido como zirconia , toria o tantalia . Los pasos fueron: (i) moldear el polvo; (ii) recocerlo a aproximadamente 2500 ° C para hacerlo conductor; (iii) aplicar sinterización a presión de corriente como en el método de Weintraub y Rush. [7]

La sinterización que utiliza un arco producido a través de una descarga de capacitancia para eliminar óxidos antes del calentamiento por corriente continua, fue patentada por GF Taylor en 1932. Esto originó métodos de sinterización que empleaban corriente pulsada o alterna , eventualmente superpuesta a una corriente continua. Estas técnicas se han desarrollado durante muchas décadas y se resumen en más de 640 patentes. [7]

De estas tecnologías, la más conocida es la sinterización por resistencia (también llamada prensado en caliente ) y la sinterización por plasma de chispa , mientras que la forja por sinterizado eléctrico es el último avance en este campo.

Sinterización por plasma de chispa [ editar ]

En la sinterización por plasma de chispa (SPS), la presión externa y un campo eléctrico se aplican simultáneamente para mejorar la densificación de los compactos de polvo metálico / cerámico. Sin embargo, después de la comercialización se determinó que no hay plasma, por lo que el nombre propio es sinterización por chispa como lo acuñó Lenel. La densificación impulsada por campo eléctrico complementa la sinterización con una forma de prensado en caliente, para permitir temperaturas más bajas y tomar menos tiempo que la sinterización típica. [8] Durante varios años, se especuló que la existencia de chispas o plasma entre las partículas podría ayudar a la sinterización; sin embargo, Hulbert y colaboradores demostraron sistemáticamente que los parámetros eléctricos utilizados durante la sinterización por plasma de chispa lo hacen (altamente) improbable. [9] A la luz de esto, el nombre "sinterización por plasma de chispa" se ha vuelto obsoleto. La comunidad de sinterización ha implementado términos como "Técnica de sinterización asistida por campo" (FAST), "Sinterización asistida por campo eléctrico" (EFAS) y Sinterización por corriente continua (DCS). [10] Usando un pulso de CC como corriente eléctrica, se crearía chispa de plasma, presión de impacto de chispa, calentamiento en julios y un efecto de difusión de campo eléctrico. [11] Al modificar el diseño de la matriz de grafito y su ensamblaje, se demostró que crea una condición de sinterización sin presión en una instalación de sinterización por plasma de chispa .Se informa que esta configuración de diseño de matriz modificada sinergiza las ventajas de las técnicas de sinterización convencional sin presión y de sinterización por plasma de chispa.[12]

Forja electro sinterizada [ editar ]

La forja por electro sinterización es una tecnología de sinterización asistida por corriente eléctrica (ECAS) que se origina a partir de la sinterización por descarga de condensadores . Se utiliza para la producción de compuestos de matriz de metal de diamante y se está evaluando para la producción de metales duros, [13] nitinol [14] y otros metales e intermetálicos. Se caracteriza por un tiempo de sinterización muy reducido, lo que permite que las máquinas sintericen a la misma velocidad que una prensa compactadora.

Sinterización sin presión [ editar ]

La sinterización sin presión es la sinterización de un polvo compacto (a veces a temperaturas muy altas, dependiendo del polvo) sin presión aplicada. Esto evita variaciones de densidad en el componente final, lo que ocurre con los métodos de prensado en caliente más tradicionales. [15]

El compacto en polvo (si es una cerámica) se puede crear mediante fundición en barbotina , moldeo por inyección y prensado isostático en frío . Después de la presinterización, el compacto verde final se puede mecanizar hasta su forma final antes de sinterizarlo.

Se pueden realizar tres programas de calentamiento diferentes con la sinterización sin presión: velocidad constante de calentamiento (CRH), sinterización controlada por velocidad (RCS) y sinterización en dos pasos (TSS). La microestructura y el tamaño de grano de la cerámica pueden variar según el material y el método utilizado. [15]

La tasa de calentamiento constante (CRH), también conocida como sinterización controlada por temperatura, consiste en calentar el compacto verde a una tasa constante hasta la temperatura de sinterización. [16] Se han realizado experimentos con zirconia para optimizar la temperatura de sinterización y la velocidad de sinterización para el método CRH. Los resultados mostraron que los tamaños de grano eran idénticos cuando las muestras se sinterizaron a la misma densidad, lo que demuestra que el tamaño de grano es una función de la densidad de la muestra en lugar del modo de temperatura CRH.

En la sinterización de velocidad controlada (RCS), la velocidad de densificación en la fase de porosidad abierta es menor que en el método CRH. [16] Por definición, la densidad relativa, ρ rel , en la fase de porosidad abierta es inferior al 90%. Aunque esto debería evitar la separación de los poros de los límites de los granos, se ha demostrado estadísticamente que el RCS no produjo tamaños de grano más pequeños que el CRH para muestras de alúmina, zirconia y ceria. [15]

La sinterización de dos pasos (TSS) utiliza dos temperaturas de sinterización diferentes. La primera temperatura de sinterización debe garantizar una densidad relativa superior al 75% de la densidad teórica de la muestra. Esto eliminará los poros supercríticos del cuerpo. Luego, la muestra se enfriará y se mantendrá a la segunda temperatura de sinterización hasta que se complete la densificación. Los granos de zirconia cúbica y titanato de estroncio cúbico fueron refinados significativamente por TSS en comparación con CRH. Sin embargo, los cambios de tamaño de grano en otros materiales cerámicos, como zirconia tetragonal y alúmina hexagonal, no fueron estadísticamente significativos. [15]

Sinterización por microondas [ editar ]

En la sinterización por microondas , el calor a veces se genera internamente dentro del material, en lugar de a través de la transferencia de calor por radiación de la superficie desde una fuente de calor externa. Algunos materiales no se acoplan y otros exhiben un comportamiento de fuga, por lo que su utilidad está restringida. Una ventaja de la sinterización por microondas es un calentamiento más rápido para cargas pequeñas, lo que significa que se necesita menos tiempo para alcanzar la temperatura de sinterización, se requiere menos energía de calentamiento y hay mejoras en las propiedades del producto. [17]

Una falla de la sinterización por microondas es que generalmente sinteriza solo un compacto a la vez, por lo que la productividad general resulta ser pobre, excepto en situaciones que involucran una sinterización única, como para artistas. Como las microondas solo pueden penetrar una distancia corta en materiales con alta conductividad y alta permeabilidad , la sinterización por microondas requiere que la muestra se entregue en polvos con un tamaño de partícula alrededor de la profundidad de penetración de las microondas en el material particular. El proceso de sinterización y las reacciones secundarias se ejecutan varias veces más rápido durante la sinterización por microondas a la misma temperatura, lo que da como resultado propiedades diferentes para el producto sinterizado. [17]

Se reconoce que esta técnica es bastante eficaz para mantener granos finos / granos de tamaño nano en biocerámicas sinterizadas . Los fosfatos de magnesio y los fosfatos de calcio son los ejemplos que se han procesado mediante la técnica de sinterización por microondas. [18]

Densificación, vitrificación y crecimiento de granos [ editar ]

La sinterización en la práctica es el control tanto de la densificación como del crecimiento del grano . La densificación es el acto de reducir la porosidad en una muestra, haciéndola más densa. El crecimiento del grano es el proceso del movimiento de los límites del grano y la maduración de Ostwald para aumentar el tamaño medio del grano. Muchas propiedades ( resistencia mecánica , resistencia a la ruptura eléctrica, etc.) se benefician tanto de una alta densidad relativay un tamaño de grano pequeño. Por lo tanto, poder controlar estas propiedades durante el procesamiento es de gran importancia técnica. Dado que la densificación de los polvos requiere altas temperaturas, el crecimiento de granos ocurre naturalmente durante la sinterización. La reducción de este proceso es clave para muchas cerámicas de ingeniería. Bajo ciertas condiciones de química y orientación, algunos granos pueden crecer rápidamente a expensas de sus vecinos durante la sinterización. Este fenómeno, conocido como crecimiento anormal del grano , o AGG, da como resultado una distribución bimodal del tamaño de grano que tiene consecuencias sobre el rendimiento mecánico del objeto sinterizado.

Para que la densificación ocurra a un ritmo rápido, es esencial tener (1) una cantidad de fase líquida de gran tamaño, (2) una solubilidad casi completa del sólido en el líquido y (3) humedecer el sólido por el líquido. El poder detrás de la densificación se deriva de la presión capilar de la fase líquida ubicada entre las partículas sólidas finas. Cuando la fase líquida humedece las partículas sólidas, cada espacio entre las partículas se convierte en un capilar en el que se desarrolla una presión capilar sustancial. Para tamaños de partículas submicrométricos, los capilares con diámetros en el rango de 0.1 a 1 micrómetro desarrollan presiones en el rango de 175 libras por pulgada cuadrada (1.210 kPa) a 1.750 libras por pulgada cuadrada (12.100 kPa) para líquidos de silicato y en el rango de 975 libras por pulgada cuadrada (6720 kPa) a 9,750 libras por pulgada cuadrada (67,200 kPa) para un metal como el cobalto líquido.[3]

La densificación requiere una presión capilar constante donde solo la transferencia de material de precipitación de solución no produciría densificación. Para una mayor densificación, se produce un movimiento de partículas adicional mientras la partícula experimenta cambios de forma y crecimiento de grano. La contracción resultaría cuando el líquido se desliza entre las partículas y aumenta la presión en los puntos de contacto, lo que hace que el material se aleje de las áreas de contacto, lo que obliga a que los centros de las partículas se acerquen entre sí. [3]

La sinterización de materiales en fase líquida implica una fase sólida de grano fino para crear las presiones capilares necesarias proporcionales a su diámetro, y la concentración de líquido también debe crear la presión capilar requerida dentro del rango; de lo contrario, el proceso cesa. La tasa de vitrificación depende del tamaño de los poros, la viscosidad y la cantidad de fase líquida presente que conduce a la viscosidad de la composición general y la tensión superficial. La dependencia de la temperatura para la densificación controla el proceso porque a temperaturas más altas la viscosidad disminuye y aumenta el contenido de líquido. Por lo tanto, cuando se realizan cambios en la composición y el procesamiento, afectará el proceso de vitrificación. [3]

Mecanismos de sinterización [ editar ]

La sinterización se produce por difusión de átomos a través de la microestructura. Esta difusión es causada por un gradiente de potencial químico: los átomos se mueven de un área de mayor potencial químico a un área de menor potencial químico. Los diferentes caminos que toman los átomos para llegar de un lugar a otro son los mecanismos de sinterización. Los seis mecanismos comunes son:

  • Difusión superficial: difusión de átomos a lo largo de la superficie de una partícula.
  • Transporte de vapor: evaporación de átomos que se condensan en una superficie diferente.
  • Difusión de celosía desde la superficie: los átomos de la superficie se difunden a través de la celosía
  • Difusión de celosía desde el límite del grano: el átomo del límite del grano se difunde a través del enrejado
  • Difusión del límite del grano: los átomos se difunden a lo largo del límite del grano
  • Deformación plástica: el movimiento de dislocación provoca el flujo de materia

Además, hay que distinguir entre mecanismos densificantes y no densificantes. 1-3 anteriores no son densificantes [ cita requerida ] : toman átomos de la superficie y los reorganizan en otra superficie o parte de la misma superficie. Estos mecanismos simplemente reorganizan la materia dentro de la porosidad y no hacen que los poros se encojan. Los mecanismos 4-6 son mecanismos de densificación [ cita requerida ] : los átomos se mueven desde la masa a la superficie de los poros, eliminando así la porosidad y aumentando la densidad de la muestra.

Crecimiento de granos [ editar ]

Un límite de grano (GB) es el área de transición o interfaz entre cristalitos (o granos ) adyacentes de la misma composición química y reticular , que no debe confundirse con un límite de fase . Los granos adyacentes no tienen la misma orientación de la red, dando así a los átomos en GB posiciones desplazadas con respecto a la red en los cristales . Debido a la posición desplazada de los átomos en el GB, tienen un estado de mayor energía en comparación con los átomos en la red cristalina de los granos. Es esta imperfección la que permite grabar selectivamente los GB cuando se desea que la microestructura sea visible. [19]

El esfuerzo por minimizar su energía conduce al engrosamiento de la microestructura para alcanzar un estado metaestable dentro de la muestra. Esto implica minimizar su área GB y cambiar su estructura topológica para minimizar su energía. Este crecimiento de grano puede ser normal o anormal , un crecimiento de grano normal se caracteriza por el crecimiento y tamaño uniformes de todos los granos de la muestra. El crecimiento anormal de granos ocurre cuando algunos granos crecen mucho más que la mayoría restante. [20]

Energía / tensión de la frontera del grano [ editar ]

Los átomos en el GB están normalmente en un estado de energía más alto que su equivalente en el material a granel. Esto se debe a sus lazos más estirados, lo que da lugar a una tensión de GB . Esta energía extra que poseen los átomos se llama el grano de la energía límite, . El grano querrá minimizar esta energía extra, esforzándose por hacer que el área del límite del grano sea más pequeña y este cambio requiere energía. [20]

“O, en otras palabras, se debe aplicar una fuerza, en el plano del límite del grano y actuando a lo largo de una línea en el área del límite del grano, para extender el área del límite del grano en la dirección de la fuerza. La fuerza por unidad de longitud, es decir, tensión / tensión, a lo largo de la línea mencionada es σGB. Sobre la base de este razonamiento se seguiría que:

con dA como el aumento del área de límite de grano por unidad de longitud a lo largo de la línea en el área de límite de grano considerada ". [20] [pág. 478]

La tensión GB también se puede considerar como las fuerzas de atracción entre los átomos en la superficie y la tensión entre estos átomos se debe al hecho de que existe una distancia interatómica mayor entre ellos en la superficie en comparación con el volumen (es decir, la tensión superficial ). . Cuando el área de la superficie se vuelve más grande, los enlaces se estiran más y la tensión del GB aumenta. Para contrarrestar este aumento de tensión debe haber un transporte de átomos a la superficie manteniendo constante la tensión del GB. Esta difusión de átomos explica la tensión superficial constante en los líquidos. Entonces el argumento,

se mantiene cierto. Para los sólidos, por otro lado, la difusión de átomos a la superficie podría no ser suficiente y la tensión superficial puede variar con un aumento en el área de la superficie. [21]

Para un sólido, se puede derivar una expresión para el cambio en la energía libre de Gibbs, dG, tras el cambio del área de GB, dA. dG viene dado por

lo que da

se expresa normalmente en unidades de while normalmente se expresa en unidades de ya que son propiedades físicas diferentes. [20]

Equilibrio mecánico [ editar ]

En un material isotrópico bidimensional , la tensión límite de los granos sería la misma para los granos. Esto daría un ángulo de 120 ° en la unión GB donde se encuentran tres granos. Esto le daría a la estructura un patrón hexagonal que es el estado metaestable (o equilibrio mecánico ) de la muestra 2D. Una consecuencia de esto es que, para seguir intentando estar lo más cerca posible del equilibrio, los granos con menos de seis lados doblarán el GB para intentar mantener el ángulo de 120 ° entre sí. Esto da como resultado un límite curvo con su curvatura.hacia sí mismo. Un grano con seis lados, como se mencionó, tendrá límites rectos, mientras que un grano con más de seis lados tendrá límites curvos con su curvatura alejada de sí mismo. Un grano con seis límites (es decir, estructura hexagonal) se encuentra en un estado metaestable (es decir, equilibrio local) dentro de la estructura 2D. [20] En tres dimensiones, los detalles estructurales son similares pero mucho más complejos y la estructura metaestable de un grano es un poliedro no regular de 14 lados con caras doblemente curvadas. En la práctica, todas las matrices de granos son siempre inestables y, por lo tanto, siempre crecen hasta que se lo impide una contrafuerza. [22]

Los granos se esfuerzan por minimizar su energía, y un límite curvo tiene una energía más alta que un límite recto. Esto significa que el límite del grano migrará hacia la curvatura. [ aclaración necesaria ] La consecuencia de esto es que los granos con menos de 6 lados disminuirán de tamaño mientras que los granos con más de 6 lados aumentarán de tamaño. [23]

El crecimiento de los granos se produce debido al movimiento de los átomos a través de un límite de granos. Las superficies convexas tienen un potencial químico más alto que las superficies cóncavas, por lo tanto, los límites de grano se moverán hacia su centro de curvatura. Dado que las partículas más pequeñas tienden a tener un radio de curvatura más alto, los granos más pequeños pierden átomos en granos más grandes y se encogen. Este es un proceso llamado maduración de Ostwald. Los granos grandes crecen a expensas de los granos pequeños.

Se encuentra que el crecimiento de grano en un modelo simple sigue:

Aquí G es el tamaño de grano promedio final, G 0 es el tamaño de grano promedio inicial, t es el tiempo, m es un factor entre 2 y 4, y K es un factor dado por:

Aquí Q es la energía de activación molar, R es la constante del gas ideal, T es la temperatura absoluta y K 0 es un factor dependiente del material. En la mayoría de los materiales, el tamaño de grano sinterizado es proporcional a la raíz cuadrada inversa de la porosidad fraccionada, lo que implica que los poros son el retardador más eficaz del crecimiento del grano durante la sinterización.

Reducir el crecimiento de granos [ editar ]

Iones solutos

Si se agrega un dopante al material (ejemplo: Nd en BaTiO 3) la impureza tenderá a adherirse a los límites del grano. A medida que el límite del grano intenta moverse (cuando los átomos saltan de la superficie convexa a la cóncava), el cambio en la concentración del dopante en el límite del grano impondrá un arrastre en el límite. La concentración original de soluto alrededor del límite del grano será asimétrica en la mayoría de los casos. A medida que el límite del grano intenta moverse, la concentración en el lado opuesto al movimiento tendrá una concentración más alta y, por lo tanto, tendrá un potencial químico más alto. Este potencial químico aumentado actuará como una fuerza de retroceso del gradiente de potencial químico original que es la razón del movimiento de los límites del grano. Esta disminución en el potencial químico neto disminuirá la velocidad límite del grano y, por lo tanto, el crecimiento del grano.

Partículas finas de segunda fase

Si se añaden al polvo partículas de una segunda fase que son insolubles en la fase de matriz en forma de un polvo mucho más fino, entonces esto disminuirá el movimiento de los límites del grano. Cuando el límite del grano intenta pasar de la difusión de inclusión de átomos de un grano al otro, se verá obstaculizado por la partícula insoluble. Esto se debe a que es beneficioso para las partículas residir en los límites del grano y ejercen una fuerza en dirección opuesta en comparación con la migración del límite del grano. Este efecto se llama efecto Zener por el hombre que estimó esta fuerza de arrastre en

donde r es el radio de la partícula y λ la energía interfacial del límite si hay N partículas por unidad de volumen, su fracción de volumen f es

asumiendo que se distribuyen aleatoriamente. Un límite de área unitaria intersecará todas las partículas dentro de un volumen de 2r, que son partículas 2Nr. Entonces, el número de partículas n que cruzan una unidad de área del límite de grano es:

Ahora, asumiendo que los granos solo crecen debido a la influencia de la curvatura, la fuerza impulsora del crecimiento es donde (para una estructura de grano homogénea) R se aproxima al diámetro medio de los granos. Con esto el diámetro crítico que hay que alcanzar antes de que los granos dejen de crecer:

Esto se puede reducir a

por lo que el diámetro crítico de los granos depende del tamaño y la fracción de volumen de las partículas en los límites de los granos. [24]

También se ha demostrado que pequeñas burbujas o cavidades pueden actuar como inclusión.

Las interacciones más complicadas que ralentizan el movimiento de los límites de los granos incluyen interacciones de las energías superficiales de los dos granos y la inclusión, y CS Smith las analiza en detalle. [25]

Primavera petrificante en Réotier cerca de Mont-Dauphin , Francia

Sinterización natural en geología [ editar ]

En geología, una sinterización natural se produce cuando un manantial mineral provoca una deposición de sedimento químico o costra, por ejemplo, de sílice porosa. [26]

Un sinter es un depósito mineral que presenta una textura porosa o vesicular; su estructura presenta pequeñas cavidades. Estos pueden ser depósitos silíceos o depósitos calcáreos . [27]

El sinter silíceo es un depósito de sílice opalina o amorfa que aparece como incrustaciones cerca de fuentes termales y géiseres . A veces forma montículos cónicos, llamados conos de géiser, pero también puede formar una terraza . Los principales agentes responsables de la deposición del sinterizado silíceo son las algas y otra vegetación en el agua. La alteración de las rocas de la pared también puede formar sinterizados cerca de las fumarolas y en los canales más profundos de las aguas termales . Ejemplos de sinterización silícea son la geiserita y la fiorita . Se pueden encontrar en muchos lugares, incluido Islandia ,El campo geotérmico El Tatio en Chile , Nueva Zelanda y el Parque Nacional Yellowstone y Steamboat Springs en los Estados Unidos.

El sinterizado calcáreo también se llama toba , toba calcárea o toba calcárea. Es un depósito de carbonato cálcico , como el travertino . Llamados manantiales petrificantes, son bastante comunes en los distritos de piedra caliza. Sus aguas calcáreas depositan una incrustación siniestra en los objetos circundantes. La precipitación es asistida por musgos y otras estructuras vegetales, dejando así cavidades en el sinterizado calcáreo después de su descomposición. [27]

  • Procesos de sinterización en una cueva.

  • Sinterización en Pohutu Geyser, Nueva Zelanda

  • Terrazas de sinterización en Pamukkale , Turquía

  • Pamukkale

  • Terrazas de sinterización en el parque natural del valle de Altmühl , Alemania

Sinterización de catalizadores [ editar ]

La sinterización es una causa importante de pérdida de actividad del catalizador , especialmente en catalizadores metálicos soportados. Disminuye el área de la superficie del catalizador y cambia la estructura de la superficie. [28] Para una superficie catalítica porosa, los poros pueden colapsar debido a la sinterización, resultando en una pérdida de área superficial. La sinterización es en general un proceso irreversible. [29]

Las partículas pequeñas de catalizador tienen el área superficial relativa más alta posible y la temperatura de reacción alta, ambos factores que generalmente aumentan la reactividad de un catalizador. Sin embargo, estos factores también son las circunstancias en las que se produce la sinterización. [30] Los materiales específicos también pueden aumentar la velocidad de sinterización. Por otro lado, mediante la aleación de catalizadores con otros materiales, se puede reducir la sinterización. Se ha demostrado que los metales de las tierras raras en particular reducen la sinterización de los catalizadores metálicos cuando se alean. [31]

Para muchos catalizadores de metales soportados , la sinterización comienza a convertirse en un efecto significativo a temperaturas superiores a 500 ° C (932 ° F). [28] Los catalizadores que operan a temperaturas más altas, como un catalizador de automóvil , utilizan mejoras estructurales para reducir o prevenir la sinterización. Estas mejoras se encuentran en general en forma de un soporte realizado a partir de un material inerte y térmicamente estable como la sílice , el carbono o la alúmina . [32]

Ver también [ editar ]

  • Crecimiento anormal de granos
  • Sinterización por descarga de condensadores  : un proceso de sinterización rápido asistido por corriente eléctrica
  • Ingeniería cerámica  : ciencia y tecnología de la creación de objetos a partir de materiales inorgánicos y no metálicos.
  • Sinterización directa por láser de metales
  • Cemento modificado energéticamente  - Clase de cementos, procesados ​​mecánicamente para transformar la reactividad
  • Frit  - Cerámica fundida, templada y granulada
  •  Superconductividad de alta temperatura : comportamiento superconductor a temperaturas mucho más altas que el cero absoluto
  • Arcilla metálica  : material artesanal de partículas metálicas y un aglutinante de plástico
  • Método de densificación a temperatura ambiente
  • Sinterización selectiva por láser  : técnica de impresión 3D, una tecnología de creación rápida de prototipos que incluye la sinterización directa por láser de metales (DMLS).
  • Sinterización por plasma de chispa
  • W. David Kingery  , ingeniero cerámico, pionero de los métodos de sinterización
  • Circonita estabilizada con itria  : una cerámica con estructura cristalina cúbica estable a temperatura ambiente

Por el aspecto geológico:

  • Petrificando bien

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Sinter, v." Oxford English Dictionary Segunda edición en CD-ROM (v. 4.0) © Oxford University Press 2009
  2. ^ "Sinter" The Free Dictionary, consultado el 1 de mayo de 2014
  3. ^ a b c d e f g Kingery, W. David; Bowen, HK; Uhlmann, Donald R. (abril de 1976). Introducción a la cerámica (2ª ed.). John Wiley & Sons , Prensa académica . ISBN 0-471-47860-1.
  4. ^ "Plásticos personalizados de Porex: plásticos porosos y polímeros porosos" . www.porex.com . Consultado el 23 de marzo de 2017 .
  5. ^ Uhl, AR; et al. (2014). "Crecimiento de grano mejorado con selenio líquido de capas precursoras de nanopartículas para absorbedores de células solares CuInSe 2 " . Prog. Fotovoltaica Res. Apl . 23 (9): 1110-1119. doi : 10.1002 / pip.2529 .
  6. Orrù, Roberto; Licheri, Roberta; Locci, Antonio Mario; Cincotti, Alberto; Cao, Giacomo (2009). "Ciencia e Ingeniería de Materiales: R: Informes: Consolidación / síntesis de materiales mediante sinterización asistida / activada por corriente eléctrica". Ciencia e Ingeniería de Materiales: R: Informes . 63 (4–6): 127–287. doi : 10.1016 / j.mser.2008.09.003 .
  7. ^ a b c d Grasso, S; Sakka, Y; Maizza, G (2009). "Sinterización asistida / activada por corriente eléctrica (ECAS): una revisión de las patentes 1906-2008" . Sci. Technol. Adv. Mater . 10 (5): 053001. doi : 10.1088 / 1468-6996 / 10/5/053001 . PMC 5090538 . PMID 27877308 .  
  8. ^ Tuan, WH; Guo, JK (2004). Materiales cerámicos multifase: procesamiento y potencial . Saltador. ISBN 3-540-40516-X.
  9. ^ Hulbert, DM; et al. (2008). "La ausencia de plasma en 'Spark Plasma Sinterización ' " . Revista de Física Aplicada . 104 (3): 033305–033305–7. Código Bibliográfico : 2008JAP ... 104c3305H . doi : 10.1063 / 1.2963701 .
  10. ^ Anselmi-Tamburini, U. et al. en Sinterización: Nanodensificación y procesos asistidos por campo (Castro, R. & van Benthem, K.) (Springer Verlag, 2012).
  11. ^ Palmer, RE; Wilde, G. (22 de diciembre de 2008). Propiedades mecánicas de los materiales nanocompuestos . Base de datos EBL: Elsevier Ltd. ISBN 978-0-08-044965-4.
  12. ^ K. Sairam, JK Sonber, TSRCh. Murthy, AK Sahu, RD Bedse, JK Chakravartty (2016). "Sinterización sin presión de diboruro de cromo utilizando una instalación de sinterización por plasma de chispa". Revista Internacional de Metales Refractarios y Materiales Duros . 58 : 165-171. doi : 10.1016 / j.ijrmhm.2016.05.002 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
  13. ^ Fais, A. "Descarga de sinterización de herramientas de corte de metal duro". Congreso y Exposición Internacional de Pulvimetalurgia , Euro PM 2013
  14. ^ Balagna, Cristina; Fais, Alessandro; Brunelli, Katya; Peruzzo, Luca; Horynová, Miroslava; Čelko, Ladislav; Spriano, Silvia (2016). "Aleación de Ni-Ti electro-forjada por sinterización". Intermetálicos . 68 : 31–41. doi : 10.1016 / j.intermet.2015.08.016 .
  15. ↑ a b c d Maca, Karel (2009). "Evolución de la microestructura durante la sinterización sin presión de cerámicas de óxido a granel" . Procesamiento y Aplicación de Cerámica . 3 (1–2): 13–17. doi : 10.2298 / pac0902013m .
  16. ^ a b Maca, Karl; Simonikova, Sarka (2005). "Efecto del programa de sinterización sobre el tamaño de grano de cerámica de óxido". Revista de ciencia de materiales . 40 (21): 5581–5589. Código Bib : 2005JMatS..40.5581M . doi : 10.1007 / s10853-005-1332-1 . S2CID 137157248 . 
  17. ^ a b Oghbaei, Morteza; Mirzaee, Omid (2010). "Microondas versus sinterización convencional: una revisión de fundamentos, ventajas y aplicaciones". Revista de aleaciones y compuestos . 494 (1–2): 175–189. doi : 10.1016 / j.jallcom.2010.01.068 .
  18. ^ Babaie, Elham; Ren, Yufu; Bhaduri, Sarit B. (23 de marzo de 2016). "Sinterización por microondas de MgP y sustitutos de Mg de grano fino con fosfato tricálcico amorfo: Caracterización estructural y mecánica". Revista de Investigación de Materiales . 31 (8): 995–1003. Código Bib : 2016JMatR..31..995B . doi : 10.1557 / jmr.2016.84 .
  19. ^ Smallman RE, obispo, Ray J (1999). Metalurgia física moderna e ingeniería de materiales: ciencia, procesos, aplicaciones . Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-4564-5.
  20. ↑ a b c d e Mittemeijer, Eric J. (2010). Fundamentos de la ciencia de los materiales La relación microestructura-propiedad utilizando metales como sistemas modelo . Springer Heidelberg Dordrecht Londres Nueva York. págs.  463 –496. ISBN 978-3-642-10499-2.
  21. ^ Kang, Suk-Joong L. (2005). Sinterización: densificación, crecimiento de granos y microestructura . Elsevier Ltd. pp.  9 -18. ISBN 978-0-7506-6385-4.
  22. ^ Cahn, Robert W. y Haasen, Peter (1996). Metalurgia física (Cuarta ed.). págs. 2399-2500. ISBN 978-0-444-89875-3.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  23. ^ Carter, C. Barry; Norton, M. Grant (2007). Materiales cerámicos: ciencia e ingeniería . Springer Science + Business Media, LLC. págs.  427 –443. ISBN 978-0-387-46270-7.
  24. ^ Cahn, Robert W. y Haasen, Peter (1996). Metalurgia física (Cuarta ed.). ISBN 978-0-444-89875-3.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  25. ^ Smith, Cyril S. (febrero de 1948). "Introducción a los granos, fases e interfases: una introducción a la microestructura". Cite journal requires |journal= (help)
  26. ^ Sinter en thefreedictionary.com.
  27. ↑ a b sinter in Encyclopædia Britannica.
  28. ↑ a b G. Kuczynski (6 de diciembre de 2012). Sinterización y Catálisis . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4684-0934-5.
  29. ^ Bartolomé, Calvin H (2001). "Mecanismos de desactivación de catalizadores" . Catálisis aplicada A: General . 212 (1–2): 17–60. doi : 10.1016 / S0926-860X (00) 00843-7 .
  30. ^ Harris, P (1986). "La sinterización de partículas de platino en un catalizador con soporte de alúmina: más estudios de microscopía electrónica de transmisión". Revista de catálisis . 97 (2): 527–542. doi : 10.1016 / 0021-9517 (86) 90024-2 .
  31. ^ Figueiredo, JL (2012). Progreso en la desactivación de catalizadores: Actas del Instituto de estudios avanzados de la OTAN sobre desactivación de catalizadores, Algarve, Portugal, 18 al 29 de mayo de 1981 . Springer Science & Business Media. pag. 11. ISBN 978-94-009-7597-2.
  32. ^ Chorkendorff, I .; Niemantsverdriet, JW (6 de marzo de 2006). Conceptos de Catálisis y Cinética Modernas . John Wiley e hijos. ISBN 978-3-527-60564-4.

Lectura adicional [ editar ]

  • Chiang, Yet-Ming; Birnie, Dunbar P .; Kingery, W. David (mayo de 1996). Cerámica física: principios para la ciencia y la ingeniería de la cerámica . John Wiley e hijos. ISBN 0-471-59873-9.
  • Green, DJ; Hannink, R .; Swain, MV (1989). Endurecimiento por transformación de cerámica . Boca Ratón: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
  • Alemán, RM (1996). Teoría y práctica de la sinterización . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-05786-X.
  • Kang, Suk-Joong L. (2005). Sinterización (1ª ed.). Oxford: Elsevier , Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-6385-5.

Enlaces externos [ editar ]

  • Particle-Particle-Sintering: una simulación de Monte Carlo cinética de celosía en 3D
  • Sinterización de Esfera-Placa: una simulación de Monte Carlo cinética de celosía 3D