Procesos de Union Para Materiales Ceramicos

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

Tem a 1 1.18

PROCESOS D DE U UNION P P A R A M A TER A I AL ES C CER Á MICOS Y Y M A TER A I AL ES C COMPUESTOS A c t u al i zad o p p o r : C Cr i s t i n a JJ i m én ez FUND A CIÓN IIN A SMET

Sept Septiembr iembr e 2004 2004

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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. UNIÓN DE CERÁMICAS 2.1. Introducción a las cerámicas 2.2. Procesos de unión de materiales cerámicos 2.2.1. Unión Mecánica 2.2.2. Soldadura en Fase Sólida o Soldadura por Difusión 2.2.2.1. Preparación superficial 2.2.2.2. Utilización de intercapas 2.2.2.3. Temperatura 2.2.2.4. Presión 2.2.2.5. Atmósferas 2.2.2.6. Ventajas e inconvenientes inconvenientes 2.2.2.7. Propiedades mecánicas 2.2.3. Soldadura Fuerte 2.2.3.1. Mojab Mojabilidad ilidad de las cerámicas 2.2.3.2. Preparación Preparación superficial y aportes 2.2.3.3. Metalización Metalización de la superficie 2.2.3.4. Utilización Utilización de un metal de aporte activo 2.2.3.5. Problemas Problemas que se plantean en las uniones metal-cerámica 2.2.4. Soldadura Blanda o “Soldering” 2.2.5. Adhesivos 2.3. Aplicaciones 2.3.1. Eléctricas-Electrónicas 2.3.2. Biomédicas 2.3.3. Estructurales 2.4. Equipos y accesorios 2.4.1. Soldadura por Difusión 2.4.2. Soldadura por Brazing 2.5. Ensayos de las uniones 2.5.1. Ensayos destructivos 2.5.1.1. Ensayos metalográficos 2.5.1.2. Ensayos mecánicos 2.5.1.3. Ensayos no destructivos 3. UNIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS (MC) 3.1. Unión de MCs de de matriz metálica (CMM) (CMM) 3.1.1. Introducción a los CMMs 3.1.2. Soldabilidad de los CMMs 3.1.3. Procesos de soldeo de los CMS 3.1.3.a. Soldeo Soldeo por fricción de los CMMs 3.1.3.b. Soldeo Soldeo por difusión de los CMMs 3.1.3.c. Unión adhesiva y mecánica 3.1.3.d. Soldeo Soldeo TIG y MIG 3.1.3.e. Soldeo por resistencia 3.1.3.f. Soldeo blando blando y fuerte fuerte 3.1.3.g. Soldeo láser 3.1.3.h. Soldeo Soldeo por haz de electrones 3.2. Unión de MCs de de matriz polimérica (MCP) (MCP) 3.2.1. Introducción 3.2.2. Procesos de Soldeo Soldeo de Materiales Materiales Poliméricos Compuestos Compuestos 3.2.2.a. Métodos Externos 3.2.2.b. Métodos Internos

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ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. UNIÓN DE CERÁMICAS 2.1. Introducción a las cerámicas 2.2. Procesos de unión de materiales cerámicos 2.2.1. Unión Mecánica 2.2.2. Soldadura en Fase Sólida o Soldadura por Difusión 2.2.2.1. Preparación superficial 2.2.2.2. Utilización de intercapas 2.2.2.3. Temperatura 2.2.2.4. Presión 2.2.2.5. Atmósferas 2.2.2.6. Ventajas e inconvenientes inconvenientes 2.2.2.7. Propiedades mecánicas 2.2.3. Soldadura Fuerte 2.2.3.1. Mojab Mojabilidad ilidad de las cerámicas 2.2.3.2. Preparación Preparación superficial y aportes 2.2.3.3. Metalización Metalización de la superficie 2.2.3.4. Utilización Utilización de un metal de aporte activo 2.2.3.5. Problemas Problemas que se plantean en las uniones metal-cerámica 2.2.4. Soldadura Blanda o “Soldering” 2.2.5. Adhesivos 2.3. Aplicaciones 2.3.1. Eléctricas-Electrónicas 2.3.2. Biomédicas 2.3.3. Estructurales 2.4. Equipos y accesorios 2.4.1. Soldadura por Difusión 2.4.2. Soldadura por Brazing 2.5. Ensayos de las uniones 2.5.1. Ensayos destructivos 2.5.1.1. Ensayos metalográficos 2.5.1.2. Ensayos mecánicos 2.5.1.3. Ensayos no destructivos 3. UNIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS (MC) 3.1. Unión de MCs de de matriz metálica (CMM) (CMM) 3.1.1. Introducción a los CMMs 3.1.2. Soldabilidad de los CMMs 3.1.3. Procesos de soldeo de los CMS 3.1.3.a. Soldeo Soldeo por fricción de los CMMs 3.1.3.b. Soldeo Soldeo por difusión de los CMMs 3.1.3.c. Unión adhesiva y mecánica 3.1.3.d. Soldeo Soldeo TIG y MIG 3.1.3.e. Soldeo por resistencia 3.1.3.f. Soldeo blando blando y fuerte fuerte 3.1.3.g. Soldeo láser 3.1.3.h. Soldeo Soldeo por haz de electrones 3.2. Unión de MCs de de matriz polimérica (MCP) (MCP) 3.2.1. Introducción 3.2.2. Procesos de Soldeo Soldeo de Materiales Materiales Poliméricos Compuestos Compuestos 3.2.2.a. Métodos Externos 3.2.2.b. Métodos Internos


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1. INTRODUCCIÓN Los metales y las cerámicas son dos grupos de materiales utilizados desde hace muchos años debido a sus excelentes propiedades. Mientras que los materiales metálicos están presentes en la mayor parte de las aplicaciones ingenieriles, los cerámicos se emplean en aplicaciones en las que se hace uso de sus propiedades propiedades de aislamiento eléctrico y/o térmico o su estabilidad a alta temperatura. Aunque los metales y aleaciones constituyen un grupo de materiales de amplio empleo, los esfuerzos de los metalurgistas para disponer de materiales que a muy alta temperatura de servicio presenten una elevada resistencia mecánica, y en especial, una baja fluencia, ha conducido desde hace muchos años al desarrollo de los materiales compuestos. Asimismo, de un modo similar a lo ocurrido con los materiales compuestos metálicos el desarrollo de los materiales compuestos de matriz polimérica o cerámica obedece a un empuje por parte de los diferentes sectores en búsqueda de materiales que consigan optimizar ciertas propiedades. propiedades. Tanto los materiales cerámicos como los compuestos están entre los denominados nuevos materiales, los cuales representan uno de los grupos que mayor campo de desarrollo y aplicación industrial en un futuro inmediato. Ahora bien, la aplicación de estos materiales, en las nuevas tecnologías y procesos plantea, en numerosas ocasiones, la necesidad de una unión ó soldadura entre los diferentes materiales, tanto de composición similar como disimilar. Así, por ejemplo, la unión entre metales y cerámicas puede permitir obtener sistemas tecnológicos donde se conjugan la alta resistencia, menor reactividad, y mayor refractividad de los materiales cerámicos con una alta tenacidad, mejor conductividad eléctrica y térmica de los materiales metálicos.

2. UNIÓN DE CERÁMICAS 2.1. 2.1.-- Introdu cción a las cerámicas Los materiales cerámicos son inorgánicos y no metálicos. La fabricación de las piezas cerámicas se realiza en dos fases: en la primera, se les da la forma deseada (pieza en verde); en la segunda, se les calienta a alta temperatura, con o sin aplicación de presión, para conseguir, de este modo, la densidad final de la pieza. Las propiedades de las cerámicas son: 

Alta resistencia, tanto a temperatura ambiente como a elevada temperatura. Por ejemplo, el carburo de silicio presenta una carga de rotura de unos 200 MPa a una temperatura de 1.530 ºC.



Alta relación resistencia/peso.



Alta resistividad eléctrica.



Excelente resistencia a la oxidación y a la corrosión.



Excelente resistencia al desgaste.



Alta dureza.


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Bajo coeficiente de expansión térmica.

Los materiales cerámicos de mayor interés son las cerámicas avanzadas, las cuales, se distinguen de las tradicionales en que éstas se procesan, mediante sinterización de polvos, para obtener unas excelentes propiedades basadas en el control de la distribución de partículas y de la pureza obtenida, reduciendo generalmente al mínimo posible la porosidad final en el material. Como cerámicas estructurales más importantes, hoy en día, se pueden citar: nitruro de silicio (Si 3N4), carburo de silicio (SiC), la circonia (ZrO2), alúmina (Al2O3) y los sialones, que son continuación de los anteriores formados por (nitruro de silicio, nitruro de aluminio y alumina). Además, en los últimos años se han desarrollado materiales cerámicos compuestos en los que en una matriz de alúmina se distribuyen “whiskers” de SiC o en una matriz de SiC se distribuyen partículas de diboruro de titanio (TiB 2).

Temp. ºC

SiC

1200

En desarrollo

Si3N4 SiC

Si3N4

1100

Metal

ZrO2

Tamb.

Tensión

Resulta conveniente, antes de empezar a estudiar los procesos, observar los campos de temperatura de aplicación de cada una de éstas cerámicas. FIGURA 1 C AMPOS DE APLICACIÓN DE M ATERIALES SEGÚN TEMPERATURAS Y SOLICITACIONES

De la figura 1, que presenta un mapa con los campos de aplicación de los diversos materiales según Tª en servicio y solicitaciones mecánicas, se puede extraer la siguiente información:   

A temperatura ambiente, y próxima a ella, los metales están empezando a sustituir a la circonia.

  

Al ir aumentando la temperatura y para tensiones bajas y medias se emplean Si 3N4 y SiC, utilizando el nitruro de silicio para altas temperaturas.

  

Por encima de 1.100 ºC no pueden emplearse metales, a menos que estén refrigerados.

  

Por encima de los 1.200 ºC se emplea carburo de silicio.


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2.2.- Procesos de unión de materiales cerámicos En los últimos años se están desarrollando diferentes metodologías con objeto de optimizar el resultado de las uniones de cerámicas, especialmente de las uniones de éstas con los materiales metálicos. La unión metal-cerámica es compleja debido a la presencia de notables diferencias en cuanto a sus propiedades físicas y químicas. Aunque se hayan conseguido bastantes uniones, la mayoría han sido desarrolladas y patentadas por los sectores industriales eléctrico-electrónico y aerospacial. Por ello, el conocimiento científico que se sigue teniendo de ellas es bastante limitado. Propiamente, la unión metal-cerámica comenzó a ser objeto de atención generalizada a partir de 1950 con el empleo de las cerámicas como materiales aislantes. Existen varios procesos consolidados para la unión de cerámicas con metales. Estos son: 1. Unión por procedimientos mecánicos (remaches, pasadores,...). 2. Adhesivos. 3. Soldadura en fase sólida ó soldadura por difusión. 4. Soldadura fuerte o brazing. Aunque en la lista anterior no se han incluido, existen experiencias de unión de cerámicas mediante procesos de fusión aplicando el soldeo por haz láser, haz de electrones o por arco eléctrico. Sin embargo, dichas uniones requieren el uso de técnicas de precalentamiento a muy alta temperatura y se producen, en muchas ocasiones, agrietamientos o alto nivel de porosidad. También existe un gran interés en la aplicación de las microondas para la realización de uniones de cerámicas. Las vemtajas del proceso incluyen la posibilidad de un calentamiento localizado con niveles bajos de energía consumida, el calentamiento selectivo de materiales y la posibilidad de control en tiempo real del proceso. A pesar de las interesantes ventajas de esta técnica está aún en fase de desarrollo. Las aplicaciones potenciales incluyen las uniones entre cerámicas y entre cerámicas y metales. De los procesos consolidados, la soldadura fuerte o brazing y la soldadura por difusión son los que permiten llegar a uniones más íntimas, y son, a su vez, los que mayor esfuerzo requieren, tanto para desarrollar la tecnología como para conocer los mecanismos involucrados en los procesos. De forma general se puede decir que para la obtención de uniones soldadas satisfactorias se exige: 1. El logro de un íntimo contacto de las piezas a unir, bien directamente, o bien, indirectamente, a través de una lámina o un recubrimiento intermedio. 2. Que entre las superficies en contacto se establezca una intercara de reacción. 3. Que esta intercara sea capaz de resistir las tensiones residuales, que se presentan en la junta, generadas durante el enfriamiento de la pieza desde la temperatura de soldadura hasta la temperatura ambiente.


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Uno de los problemas principales de las uniones metal-cerámica es la diferencia de coeficientes de expansión térmica que existen entre ellas. Generalmente, los materiales cerámicos tienen un coeficiente de expansión térmico inferior a los de los metales. 2.2.1. Unión Mecánica

La unión mecánica no difiere de la técnica aplicada a otros materiales. Sin embargo, la unión ha de ser ajustada para el sistema que se esté fabricando y las propiedades físico-químicas de los materiales unidos. Lo primero que hay que hacer al pensar en una unión mecánica es diseñar la unión, de forma que las cargas se distribuyan uniformemente. El material de amarre depende de la temperatura, carga, ambiente químico y grado de humedad requerido. Los amarres son necesarios si: a) Las uniones deben ser ajustadas. b) La unidad de carga de cualquier parte de cerámica excede de 50% de la tensión de rotura. c) Si se espera vibración. d) Si se van a producir variaciones de temperatura notables. Esta técnica no produce un contacto íntimo entre ambos metales, sino una sujeción de tipo mecánica, mediante agentes externos inertes (tornillos, grapas, etc.). En la actualidad son utilizados tanto en aplicaciones tradicionales, como ocurre en la unión de refractarios de altos hornos, como en nuevos usos de industrias de alta tecnología (plaquetas aislantes de la lanzadera espacial). 2.2.2.- Soldadura en Fase Sólid a o Soldadura por Difusi ón

La soldadura por difusión en líneas generales, se produce cuando dos superficies son puestas en contacto íntimo a una presión, una temperatura y durante un tiempo determinado. Al no producirse una fusión de ninguna de las partes este proceso se incluye dentro del grupo de procesos de soldeo en estado sólido. Para conseguir un buen contacto de las superficies es necesario que las superficies a unir tengan un estado de preparación adecuado, incluida una esmerada limpieza, y se pongan en contacto íntimo con el fin de que se establezca un enlace interatómico entre ellas. En el caso de unión entre cerámicas esto pasa por un pulido cuidadoso de ambas partes; en el caso de la unión metal-cerámicas la puesta en íntimo contacto de las partes a unir se logra mediante la aplicación de presión, y el logro de la unión implica someter al material a una temperatura elevada que provoque la plastificación de las partes a lo largo de la intercara, especialmente, en el caso de la parte metálica. Los factores o parámetros que influyen en la realización de una soldadura por difusión son: 

Preparación superficial.



Utilización de intercapas.



Temperatura.



Presión.



Atmósfera.



Tiempo.


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FIGURA 2 PROCESO DE UNIÓN POR DIFUSIÓN PARA EL CASO DE LOS METALES

En el caso de unión entre metal y cerámica la presión a aplicar suele ser relativamente baja, del orden de 0.4-2 kg/mm2, mientras que, para el caso de las uniones cerámica-cerámica la presión puede ser 0.1-10 kg/mm2 ; en el caso de la unión metal-cerámica la temperatura del proceso está comprendida entre 0.5 T m y 0.98 Tm (siendo Tm la temperatura de fusión del metal en ºK), con lo que se consigue una interdifusión de cada material a través de la intercara. Las cerámicas estructurales (SiC, Al 2O3, Si3N4 o ZrO2) no se deforman excepto a muy alta temperatura, superior al 50% de la temperatura de fusión de los materiales a unir, por lo que resulta difícil la unión por difusión de la mayoría de las cerámicas de alto punto de fusión, especialmente, sin el empleo de aporte. En este caso se debe garantizar el contacto íntimo entre las dos superficies por medio del pulido cuidadoso de ambas superficies dada la escasa capacidad de deformación de estos materiales. En el caso de la unión metal-cerámica la superficie del metal plastificará hasta alcanzarse el contacto íntimo entre el metal y la cerámica, eliminándose los huecos existentes inicialmente en la intercara entre ambos. En la soldadura por difusión, a diferencia de lo que acaece en la soldadura por fusión, no es necesario que haya una proximidad de las temperaturas de fusión de las partes a unir, lo que posibilita la soldadura metal-cerámica en metales tan variados como : aluminio, cobre, niobio, hierro,... El proceso de plastificación mostrado en la figura 2 afectará únicamente a la parte metálica, del modo que se describe a continuación: 1. Una vez puestas en contacto las superficies del metal y de la cerámica se produce primeramente una deformación plástica de los picos de las rugosidades debido a las altas tensiones producidas en los puntos de encuentro. 2. A continuación se produce la deformación del metal y la reducción de los huecos presentes en la intercara. 3. En la última etapa se produce la disminución de los huecos y se forma la unión. Tal y como fue adelantado, un aspecto singularmente importante en las uniones metal-cerámica radica en la diferencia entre sus coeficientes de expansión térmica. Esta diferencia puede provocar la generación de tensiones que produzcan un fallo prematuro de la unión. La solución a este problema pasa por el empleo de -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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intercapas de materiales con coeficientes de expansión térmica intermedios a los de los materiales a unir y que, además, presenten módulos elásticos bajos. Un ejemplo de unión por difusión es el caso de la unión de alúmina a cobre haciendo uso de una intercara de oro Una variación de la unión por difusión convencional consiste en la generación de una fase líquida en la interface entre ambas partes. Un ejemplo se puede encontrar en la unión de alúmina y cobre. El proceso se desarrolla en una atmósfera ligeramente oxidada, lo cual genera la formación de un eutéctico líquido de menor punto de fusión al cobre, cuando este último se oxida. El líquido formado reacciona con la alúmina y la fase formada produce la unión entre ambos materiales. 2.2.2.a. Preparación superf ici al

La preparación superficial tiene una influencia determinante en la calidad de la junta ya que para establecer la unión una de las primeras consideraciones a tener en cuenta es un adecuado contacto entre las superficies. Por ello, tanto la rugosidad superficial de las partes a unir como la limpieza superficial son aspectos determinantes para la consecución de una buena unión. 2.2.2.b. Utili zación de in tercapas

Uno de los principales problemas en las uniones metal-cerámica radica en la diferencia entre los coeficientes de expansión térmicos del metal y de la cerámica. Normalmente, los metales tienen coeficientes de expansión térmica muy superiores a los de las cerámicas. En la siguiente tabla se muestran algunos valores de coeficientes de expansión térmica de diversos materiales. Coef. (10-6 oK -1) 2,5 7,9 7,5 4,3 14 17 23,5 5,1 7,1

Material Si 3N4 Al 2O3 ZrO 2 SiC 410 INOX Cu Al Mo Ti TABLA

1

COEFICIENTES DE EXPANSIÓN TÉRMICA DE DIFERENTES MATERIALES

El problema que pueda existir por esta diferencia de coeficiente está relacionado con la generación de tensiones residuales que pueden llevar al fracaso de la unión. Para solventar este problema se suelen introducir capas intermedias. Estas intercalas suelen ser láminas finas de diferentes materiales, generalmente, dúctiles, o bien materiales que tengan coeficientes de expansión térmica intermedios entre los de metal y la cerámica. En la siguiente tabla se recogen ejemplos de distintas condiciones de trabajo y los valores de resistencia mecánica obtenidos para la alúmina utilizando distintos materiales como intercapa. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Refractario Alumina Alumina Alumina Alumina Alumina Alumina

Metal Cu Fe Cu Al Ta Nb

Ta (oC) 1025 1375 980 600 1400 1535

t (min) 15 2 25 18 240 60 TABLA

P (Kg/mm) 0,95 0,08 0,9 0,9 1 1

Atm. H2 H2 Vacío Vacío Vacío Vacío

Kg/mm 15,3 22 4,6 9,0 2,7 12

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DISTINTAS CONDICIONES DE TRABAJO Y LOS VALORES DE RESISTENCIA MECÁNICA PARA LA ALÚMINA UTILIZANDO DISTINTOS MATERIALES COMO INTERCAPA

Otra de las posibilidades, antes comentada, consiste en el empleo de un material (metal) intermedio que tenga un coeficiente de expansión térmica intermedia entre los dos constituyentes. De esta forma se persigue obtener un gradiente de dilatación térmica. Cerámica/(Metal Intercapa)/(Metal) C =

α

Mi < α M

α

Ejemplos de uniones metal-cerámica empleando intercapas son los siguientes: 

Acero inoxidable y otros metales con alúmina: se puede emplear una capa de aluminio.



Aleaciones férreas y cerámicas pueden emplear oro como intercapa.

A modo de resumen puede decirse que la soldadura por difusión es un procedimiento eficaz por lograr buenas uniones de cerámica con metales dúctiles, tales como Cu y Ni y bastante buena con Ti, Nb, Kovar y acero. Una de las principales ventajas de las uniones soldadas por difusión, a diferencia de las obtenidas mediante soldadura fuerte, es que pueden trabajar éstas a T as más elevadas, y pueden llegar a tener una resistencia mecánica hasta 1 1/2 veces superior. 2.2.3.c. Temperatura

La temperatura es uno de los factores que más influyen en las uniones metal-cerámica, debido a la diferencia entre los coeficientes de expansión térmicos entre ambos materiales. Los ciclos de calentamiento y enfriamiento deben ser muy lentos, especialmente, en el caso de los enfriamientos. Las velocidades lentas deben mantenerse hasta que el horno alcance aproximadamente 200 ºC. Cuando se ha alcanzado esta temperatura, la velocidad de enfriamiento puede aumentarse. 2.2.4.d. Presión

La presión es una variable fundamental para conseguir un buen contacto entre las superficies a soldar. Ésta se pueden aplicar bien de forma constante durante todo el proceso de unión, bien de forma variable de manera que durante el calentamiento de la probeta ésta sea alta, con el fin de conseguir en los primeros momentos de la unión un perfecto contacto de las superficies. Esta presión podría disminuirse una vez alcanzada la interdifusión entre los materiales.


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Las atmósferas a utilizar durante el proceso de soldadura por difusión suelen ser nitrógeno, argón, o vacío, aunque H2 se ha empleado en algunas ocasiones. Estas atmósferas se utilizan para evitar cualquier posible contaminación. De todas ellas la más común y efectiva suele ser la utilización de vacío. 2.2.6.f. Ventajas e i ncon venientes

Como ventajas se pueden señalar: a. Las piezas soldadas por difusión son capaces de soportar cargas elevadas ya que la unión que se forma es una unión interatómica. b. Puede soportar altas temperaturas. Por otra parte, existen una serie de inconvenientes en las uniones metal-cerámica: a. Es un proceso caro ya que requiere un equipo adecuado y unas preparaciones exquisitas. b. Están estudiadas solo un número pequeño de combinaciones. 2.2.7.g. Propiedades mecánicas

La valoración de la resistencia de la unión se hace mediante ensayos convencionales y mediante ensayos relacionados con la mecánica de la fractura. Los ensayos que normalmente se realizan son los convencionales de tracción, cizalla y flexión. Sin embargo, la resistencia final está muy influida por la concentración de tensiones que se forma en la interface o en la cerámica cercana a la junta. Los defectos típicos van a ser poros, grietas y faltas de unión entre ambas superficies. La caracterización de las uniones metal-cerámica debe efectuarse por aplicación de los métodos de ensayo de la mecánica de la fractura y que nos van a permitir evaluar la resistencia de la unión. En mecánica de la fractura el parámetro de fractura K Ic permite evaluar la resistencia a la fractura del material objeto de ensayo. Este parámetro en el caso de las cerámicas suele determinarse, en general, ensayando probetas de flexión con tres o cuatro puntos de carga, estas probetas suelen estar normalmente entalladas. Un problema que se encuentra al caracterizar uniones metal-cerámica radica en que las cerámicas no son isótropas y son heterogéneas. En cuanto a las propiedades mecánicas de las juntas, debe señalarse que como en todo sistema frágil son tres los factores que más influyen: 

Existencia previa de grietas.



Resistencia a la propagación de grietas.



Tensiones residuales.


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De los tres factores indicados anteriormente queda por analizar el de las tensiones residuales. El cálculo de las mismas en las uniones metal-cerámica se suele realizar por el método de cálculo por elementos finitos. En la siguiente figura tenemos representado el mapa de tensiones residuales resultante en una junta de una unión nitruro de silicio con acero.

FIGURA 3 M APA DE DEFORMACIÓN EN LA JUNTA

Como se explicó anteriormente el método más utilizado para reducir las tensiones residuales consiste en el empleo de insertos entre el metal y la cerámica. La función principal de estos insertos es la de absorber deformándose las tensiones generadas.


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FIGURA 4 M APA DE TENSIONES RESIDUALES . L A FLECHA INDICA EL ESFUERZO DE TRACCIÓN MÁXIMO QUE APARECE EN EL SI3 N4 2.2.3.- Soldadura fuerte

Este proceso es uno de los más empleados para realizar las uniones metal-cerámica o cerámicacerámica. El braseado de las cerámicas es un proceso complejo ya que los metales de aporte más comunes “no mojan” a la mayoría de las cerámicas, es decir, el metal de aporte líquido no se extiende a través de las superficies cerámicas. El mojado se define con unas condiciones de procesado en las que el ángulo de contacto entre el líquido (aporte) y el sólido (cerámica) es inferior a 90º. Como ejemplo, para el caso de la alúmina el ángulo de contacto con el Cu es 148º, para el Ni 120º con el Cu-2Ti 142º y con el Cu-25Ti 15º, lo cual demuestra, en este último caso, la importancia del empleo de un aporte adecuado que sea capaz de reaccionar con la cerámica, como veremos posteriormente. Atendiendo al problema de la mojabilidad de las cerámicas la obtención de una unión metal cerámica se puede realizar mediante: -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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a. Metalización de la cerámica, proceso que producirá una mejora en mojado de las cerámicas. b. Utilizar metales de aporte activos especiales que pueden reaccionar con las superficies cerámicas. Antes que nada se va a exponer en que consiste la mojabilidad de las cerámicas. 2.2.3.a. Mojabilidad de las cerámicas

Las cerámicas son generalmente materiales refractarios, frágiles y que tienen bajos coeficientes de expansión térmica comparados con los metales. El mojado y adhesión de un metal de aporte con el substrato cerámico está afectado por distintos factores: químicos, mecánicos y geométricos. Factores químicos: Factores mecánicos:

Influyen actividades químicas de los distintos metales constituyentes. Pueden considerarse como relación entre los coeficientes de expansión térmica.

En concreto, la mojabilidad se relaciona con el perfil que una gota de metal fundido adopta cuando se deposita sobre una superficie horizontal. Cuando una gota de líquido se deposita en una superficie sólida, sin que tenga lugar una reacción química, la resultante de varias fuerzas intermoleculares provoca que la gota tenga una forma particular. En la figura siguiente se muestra el aspecto de un mal mojado (izquierda) y de un buen mojado (derecha).

FIGURA 5 MUESTRA DE UN MAL MOJADO (IZQUIERDA) O DE UN BUEN MOJADO (DERECHA)

La siguiente tabla muestra los ángulos de mojado de distintas cerámicas con algunos aportes:


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MgO-Cu Al 2O3-Cu TiN-Cu BeO-Ni MgO-Ni Al 2O3-Cu ZrN-Cu C-Cu B 4C-Cu CaO-Ni

No-Mojado 160 HfC-Cu 155 ThO2-Ni 155 ZrO 2-Ni 152 ZrC-Cu 152 SiO 2-Ni 148 ZrB 2-Cu 148 UC-Cu 140 TiC-Cu 136 TiO 2-Ni 135

132 132 130 127 125 123 113 112 105

TABLA

B 4C-Ni TaC-Cu NbC-Cu NiO-Cu SiC-Ni CoO-Ni Fe3O4-Cu VC-Cu Cr 3C2-Cu ZrB 2-Ni TiB 2-Ni

Mojado 87 Cr 2N-Cu 78 WC-Cu 70 ZrC-Ni 68 TiC-Ni 65 Mo2C-Cu 58 NbC-Ni 57 VC-Ni 50 TaC-Ni 47 Cr 3C2-Ni 42 Mo2C-Ni 38 WC-Ni

36 30 30 23 18 18 17 16 0 0 0

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Á NGULOS DE CONTACTO DE MATERIALES CERÁMICOS 2.2.3.b. Preparació n sup erfic ial y aport es

La selección de un aporte adecuado resulta crítico para el buen servicio de la unión. En líneas generales los requisitos que se deben pedir a un material de aporte son: a. Debe ser dúctil. b. Debe fluir adecuadamente. c. Debe mojar al metal y a la cerámica a la misma temperatura. d. La unión debe mostrar buena resistencia mecánica. Una vez aclarado el concepto de mojabilidad, es necesario hablar de las dos posibilidades que existen en unir cerámico y metal ó cerámica y cerámica. a. Metalización de la superficie. b. Utilización de un metal de aporte activo. 2.2.3.b.1. Metalización de la superficie

El proceso más comúnmente utilizado para el braseado de Al 2O3 es el proceso denominado MoliManganeso. Este método consistente en la sinterización de polvos metálicos de Mo y MoO 3 y de Mn y MnO3. Este proceso ha sido, y sigue siendo, ampliamente utilizado para obtener uniones soldadas alúminametal y conduce a la obtención de uniones herméticas precisas. El procedimiento implica, en una primera etapa, la aplicación de un recubrimiento metálico sobre la superficie de la alúmina que quede firmemente adherido a la cerámica. Para ello, se prepara una pasta con una mezcla de polvo de molibdeno y manganeso. En una segunda etapa se calienta el recubrimiento para adherirlo al sustrato. Un ejemplo consiste en la aplicación de polvos de composición 80% Mo y 20% Mn disueltos en un disolvente orgánico a la superficie de la alúmina. Se somete el material a un calentamiento


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entre 1250-1600 ºC en atmósfera de H 2 con lo que se densifica la capa metálica y se produce la unión de ésta con el sustrato cerámico Al2O3. Esta práctica es válida para alúminas que contienen más de un 5% de sílice. Con las alúminas con bajo contenido en sílice, como en el caso de las alúminas de 98% de pureza, se agrega al molibdeno un polvo de óxido activador, como CaO, SiO 2. TiO2 o mezclas de óxido que en estado líquido mojan tanto el metal como la cerámica. Habitualmente, se aplica sobre la superficie metálica así obtenida, un recubrimiento ó depósito de Ni, de modo que la cerámica quede preparada para la soldadura fuerte con los metales de aporte normalmente empleados. Posteriormente, se produce el braseado con aportes convencionales tipo BAg-8, BAu-1 o BAu4. Aunque el proceso de braseado Mo-Mn requiere un número de fases superior al de otras técnicas, es el más utilizado debido a las siguientes razones: es el más conocido, es automatizable, permite un margen en los parámetros de proceso y puede llevarse a cabo en diferentes atmósferas. A pesar de la importancia relativa del braseado de alúmina por el proceso Mo-Mn este proceso está limitado al braseado de la alúmina. Para otros casos se proponen otras técnicas que se resumen a continuación aunque resultan menos conocidas. En primer lugar se pueden metalizar las superficies cerámicas mediante la deposición en fase vapor aunque necesita un equipo mucho más costoso. Otra alternativa es la utilización de TiH como activador. Este proceso es necesario realizarlo en un horno de vacío para evitar la oxidación. El hidruro es aplicado en forma de polvo antes de realizar el braseado en un horno de vacío; éste se disocia entre 350-550ºC y puede formar un recubrimiento de titanio en la superficie de la cerámica que facilite el mojado por los metales de aporte convencionales. El problema que presenta esta metalización es que es un proceso relativamente caro. Por lo tanto el método más ventajoso desde el punto de vista de operatividad es el que permite realizar la soldadura en un solo paso, es decir, sin necesidad de metalizar las superficies. Esto se logra mediante la utilización de metales de aporte activos. 2.3.2.b.2. Utilización de un metal de aporte activo

La justificación del empleo de este tipo de aporte se encuentra en lo siguiente: al poner en contacto un metal en estado líquido que contiene un elemento que forma óxidos más estables que los que se encuentran en la superficie con la que éste está en contacto, se produce el mojado de la superficie. El titanio es un metal que cumple el criterio descrito anteriormente y pequeñas adiciones de éste producen el mojado de superficies cerámicas como Al 2O3, SiC, Si3N4 o los sialones. Unos ejemplos de aleaciones de braseado activas son: Ag-4Ti, Ag-26,5Cu-3Ti, Ti-33Ni, Ti-15Cu-15Ni. Como se puede observar todas ellas presentan cierta cantidad de titanio en su composición. 2.2.3.c. Problemas q ue se plantean en las un iones m etal-cerámica

Las uniones de diferentes materiales cerámicos y metalicos no hacen más que aumentar los problemas metalúrgicos. La capa activa intermedia tiene que reaccionar con ambos materiales bien sean ambos cerámicos o bien cerámico y metálico.


Tema 1.18 -14-


En la siguiente figura tenemos las partes componentes de una unión metal-cerámica.

CERÁMICA

METAL

METAL

CERÁMICA

intercara

FIGURA 6 MUESTRA DEL PROCESO DE UNIÓN CERÁMICA-METAL : ANTES DE LA UNIÓN (IZQUIERDA); DESPUÉS DE LA UNIÓN (DERECHA).

Además del problema de las diferentes bandas y microestructuras localizadas en la interface, en la cual se localizan las zonas de difusión, se presenta el problema de las diferencias de coeficientes de expansión térmica entre los tres materiales con los que se realiza la unión (piezas cerámicas, ó metal y cerámica, y metal de aporte). Cuando se realizan las uniones utilizando probetas de pequeño diámetro este problema puede pasar desapercibido. El verdadero problema empieza cuando aumenta el tamaño de las piezas. La tensión residual aparece cerca de la intercara y de la superficie libre en la cerámica. Esta tensión disminuye gradualmente, conforme nos alejamos de la intercara. Con objeto de compensar estas diferencias de coeficientes de expansión térmica para evitar las tensiones residuales y la degeneración prematura de la unión se han propuesto diferentes alternativas: 

Se puede decir que la mayoría de los autores están de acuerdo en utilizar metales dúctiles (Cu, Al, Ni) como intercapas. Una alternativa defendida por otros autores consiste en el empleo de distintas capas de metales que adapten dichos coeficientes de expansión, produciendo una variación gradual de los mismos.



Un aspecto ya comentado anteriormente es el empleo de ciclados térmicos lentos.



Asimismo, en algunos de los casos son aplicables tratamientos térmicos posteriores.

2.2.4. Soldadura Blanda o “Soldering”

El braseado de las cerámicas también se puede realizar a baja temperatura, lo que se denominará soldadura blanda o “soldering”. Las aleaciones que se suelen utilizar son del tipo Sn-Pb-Zn-Sb o Au-In. Particularmente, en la industria electrónica. 2.2.5. Adhesivos

Existen numerosos adhesivos orgánicos e inorgánicos y sellantes que hacen efectiva una unión metalcerámica o una unión cerámica-cerámica. Estos adhesivos se agrupan dentro de dos categorías generales: polímeros y cerámicas orgánicas.


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Polímeros silic ona.- La mayoría de los adhesivos de silicona vulcanizan a temperatura ambiente y son de un componente. Estos curan por el efecto de la humedad ambiental. Este tipo de materiales absorben choque, vibración, luz ultravioleta, ozono... Completamente curadas las siliconas tienen alta resistencia a temperatura ambiente y pueden resistir temperatura del orden de 170ºC e incluso de 260ºC cuando se exponen durante cortos períodos de tiempo. Debido a la baja resistencia de la silicona, es mejor clasificarla como sellante que como un adhesivo. Resinas epoxi.- Estas tienen muy buena resistencia mecánica, la mayoría siguen manteniendo sus propiedades en condiciones de humedad. Los adhesivos epoxi permiten realizar uniones estructurales, con buen comportamiento a diferentes tipos de esfuerzos. La mayoría de los adhesivos epoxi bicomponentes curan por reacción química, la cual puede ser acelerada mediante temperatura. La mayoría de los epoxis pueden soportar temperaturas de hasta 200ºC en servicio continuo, manteniendo un porcentaje significativo de sus propiedades mecánicas. No conviene utilizar las resinas epoxi a temperaturas superiores a 250ºC durante largos períodos de tiempo. Poliamidas son una familia de polímeros más resistentes al calor y al fuego. Estos adhesivos generalmente contienen polvo de Aluminio para dar características de expansión térmica del sustrato metálico y mejorar la disipación de calor. Estas pueden operar en aire continuamente a 260ºC y permitir temperaturas de servicio desde temperaturas criogénicas hasta 450ºC. Para unión a altas temperatura deben utilizarse los cementos adhesivos cerámicos. Estos son posibles en dos formas básicas. -

Cementos secados al aire.

-

Cementos secados químicamente.

Los cementos secados al aire secan por evaporación de (disolvente). Los secados químicamente curan mediante una reacción química que no necesita ser expuesta al aire. A su vez los secados mediante reacción química se pueden clasificar en dos tipos: -

Exotérmicos.- Producen calor durante el secado.

-

No exotérmicos.- No crean calor durante la reacción química.

Existen muchos tipos de cementos cerámicos. Los principales son base alúmina y silicatos, resisten temperaturas hasta 1100ºC y son resistentes a ácidos exceptuando ácido flurorídrico. 2.2.6. Apli cacion es

Dentro de las aplicaciones más habituales es estos materiales se pueden destacar:


Tema 1.18 -16-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 2.2.6.a. Eléctri cas-electróni cas

Las uniones metal-cerámica son requeridas en un amplio rango de componentes eléctricos. Estos incluyen pasamuros aislantes para sistemas de vacío, tubos de rayos X... Para aplicaciones eléctricas/electrónicas la metalizacion y las técnicas de soldadura por braseado son las más adecuadas para producción industrial. La desventaja es que la capa metalizada suele tener mala conductividad eléctrica y térmica. Los pasamuros son el ejemplo más conocido. Estos presentan un cilindro de alúmina (aislante), al cual se le conectan anillos de cobre cuya función es servir de sellado mecánico en la unión del pasamuros con el sistema de vacío. Como en el caso anterior, la mayoría de estos componentes necesitan la unión del Cu con un aislante térmico (cerámica), normalmente Al 2O3. La unión del Cu con Al 2O3 es sensible a los niveles de impurezas del Cu, y especialmente, al O 2, y por ello ha de controlarse la atmósfera durante el proceso de unión (% de O2). De este modo, se puede obtener una resistencia de 124 MPa utilizando un Cu electrolítico, que puede contener del orden de 0,04% de O 2 como impureza (atmósfera de argón). Suelen ser más frágiles las uniones realizadas con Cu libre de O 2. La adición de cierta cantidad de O 2 mejora considerablemente la resistencia de la unión. Este resultado indica que el mecanismo Cu-Al 2O3 que la formación de la espinela CuAl2O3 se alcance cuando se produce la reacción CuO + Al 2O3. Otra técnica para unir cobre con Al 2O3 conocida como unión eutéctica tiene un mecanismo totalmente diferente. Exige la formación de una fase eutéctica Cu Cu 2O en la intercara la cual moja la cerámica formando una unión resistente. Este proceso requiere una temperatura mínima de unión de 1065 ºC. 2.2.6.b. B iomédi cas

Actualmente, el número de implantes ó prótesis va aumentando. Estas prótesis pueden incluir cerámicas, particularmente, Al2O3. Los metales que se suelen utilizar incluyen Inox, Ti y aleac. de Ti y metales nobles como Pt o Ir. 2.2.6.c. Aplicaciones Estructurales

Actualmente, el empleo de uniones donde se requieren características como resistencia a la corrosión o resistencia a altas temperaturas está continuamente aumentando, como ocurre con los motores que se ven sometidos a requerimientos más elevados. Las principales cerámicas de interés son Al 2O3, N3Si y SiC. Generalmente, se utiliza Cu con Al 2O3 cuando se hace necesario obtener una unión resistente con aleaciones férreas. 2.2.7. Equip os de Soldadura 2.2.7.a. Soldadur a por Dif usió n

La mayoría de los equipos experimentales utilizados han sido diseñados para una soldadura concreta. El equipo de soldadura por difusión debe constar de: 1. Prensa, o dispositivo para la realización de presión. 2. Un horno, es decir, una fuente de calor adecuada. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.18 -17-


3. Este horno debe ser capaz de realizar los ensayos en atmósferas ó en vacío. Un sistema de vacío convencional puede consistir en un sistema de vacío formado por una bomba rotatoria y una difusora que permita realizar vacíos teóricos del orden del 10 -5 mbar. A la hora de diseñar un equipo de soldadura por difusión el tema que más preocupa es la aplicación de la presión de soldadura. Normalmente se recurre a sistemas hidráulicos. En determinadas ocasiones, cuando las piezas a soldar poseen formas geométricas complicadas y la realización de presión es difícil se suelen utilizar HIP. Por otra parte, al tener que realizar la soldadura en atmósferas controladas es necesario que el sistema sea una cámara sellada, hecho que encarece mucho este equipo. Normalmente, la atmósfera que más se utiliza es de vacío. 2.2.7.b. Soldadura p or B razing

El equipo más habitualmente empleado para los procesos de braseado es el horno de vacío o en atmósfera controlada. El calentamiento por inducción no se emplea, normalmente, dadas la escasa conductividad térmica y eléctrica de las cerámicas más habituales. Durante el proceso de soldadura se ha de controlar que la velocidad de calentamiento sea uniforme a ambos lados de la unión. Esto se puede conseguir mediante la estabilización de la temperatura justo debajo de la de fusión del aporte, subiendo la temperatura, posteriormente, de una manera muy lenta. Por otra parte, el enfriamiento ha de ser muy lento con objeto de reducir al mínimo posible las tensiones residuales. Por tanto, el equipo de braseado ha de ofrecer las siguientes características: posibilidad de hacer el vacío o atmósfera controlada y de permitir un control adecuado de la temperatura en diferentes zonas así como un calentamiento/enfriamiento uniforme, y lento, durante el proceso de braseado. 2.2.8. Caracterización de las Uniones 2.2.8.a. Ensayos destructivos

La evaluación de estas uniones requiere una combinación de ensayos metalográficos y mecánicos. 2.2.8.a.1. Ensayos metalográficos

El primer problema comienza en el pulido y corte de la probeta, cuando es necesario prepararla para su observación metalográfica. Las diferentes características de ambos materiales, la fragilidad de las cerámicas y la ductilidad de los materiales, hace que sean necesarias preparaciones más cuidadosas. La mayoría de los autores coinciden al elegir las técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y ESCA-AUGER como las más adecuadas: 

El SEM permite diferenciar compuestos, realizar mapeados y lineas de composición a través de la junta realizada, lo cual permite analizar la profundidad de la capa de interdifusión formada.



ESCA-AUGER nos mejora las posibilidades del anterior, mejor resolución, conocimiento del estado químico y nos puede llegar a dar un perfil de profundidad. Este proceso resulta especialmente crítico en el caso del estudio de procesos de difusión.


Tema 1.18 -18-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 2.2.8.a.2. Ensayos mecánicos

Los ensayos de tracción, doblado y de tenacidad se han aplicado habitualmente para la caracterización de uniones entre cerámicas y de cerámicas con metales. Sin embargo, la falta de uniformidad de los resultados provoca que estos sean muy difíciles de comparar. En cuanto a los ensayos de tracción, existe una gama muy amplia de probetas diseñadas por los distintos autores así como una gama amplia de velocidades de ensayo. Los ensayos de plegado pueden ser en 3 ó 4 puntos, dependiendo de la unión a evaluar. Para la evaluación de uniones metal-cerámico se emplean tanto los ensayos de 3 como de 4 puntos. 2.2.8.b. Ensayos no destructivos

Inspección ult rasónica.- Uno de los métodos no destructivos mejores a la hora de evaluar las uniones metal-cerámico es el método de inspección ultrasónica. B-C-T- SCAN: No detecta los mismos defectos que el equipo de ultrasonidos, pero tiene como ventaja y a su vez de diferencia en que no le hace falta un contacto físico directo entre el palpador y la muestra. Las muestras no requieren una preparación especial.

3.- UNIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS (MC) Los Materiales Compuestos (MC), han despertado un gran interés y expectación en el campo de la Ciencia y la Tecnología de los nuevos materiales estructurales avanzados. Se trata de combinaciones de dos o más materiales que se presentan como fases separadas, y que se combinan para formar estructuras con las propiedades deseables de cada uno de los constituyentes. Los MC surgen por la necesidad de diferentes industrias de disponer de materiales con propiedades superiores a las ofrecidas por los materiales simples y homogéneos. El sector principalmente motor de este desarrollo fue, y es, el sector aerospacial, aunque ya se hace notar el de automoción con mayor fuerza. De forma general, se puede decir que los MC están constituidos por una fase continua, la matriz, reforzada por una fase dispersa compuesta de fibras (continuas o discontinuas) o partículas. Los MCs los podemos clasificar en función de la matriz del material, distinguiéndose así materiales compuestos: 

De matriz polimérica.



De matriz metálica.



De matriz cerámica.

Todos ellos se van a recoger en el presente capítulo aunque se prestará más atención a los MCs de matriz metálica, recogiéndose más ampliamente la unión de MCs de matriz polimérica en el tema 1.17, por la similitud de los métodos de unión con los materiales poliméricos homogéneos, no cubriéndose los procesos de unión de los materiales compuestos cerámicos debido a su similitud con los empleados en la unión de cerámicas, descritos en el apartado anterior.


Tema 1.18 -19-


3.1.- Unión de MCs de matriz metálica (CMM) 3.1.1.- Introdu cci ón a los CMMs

Los Materiales Compuestos de Matriz Metálica o Composites de Matriz Metálica (CMM), se caracterizan porque la fase de matriz continua es siempre metálica. Su esencia, y la de su tecnología, radica en las posibilidades de modificar las propiedades de la matriz mediante la adición, o generación in situ, de partículas finas o fibras resistentes. Para conseguir una combinación eficaz de las propiedades que presentan cada una de las fases individualmente, es necesario que la fase reforzante tenga una adecuada distribución, orientación y fracción volumétrica. Estos materiales presentan una serie de características físicas y mecánicas completamente nuevas, en comparación con los metales homogéneos y sus aleaciones, de manera que pueden ser utilizados satisfactoriamente para resolver importantes problemas técnicos, especialmente, en la industria aeronáutica e ingeniería de automoción. La utilización de CMM posibilita un incremento de la resistencia, rigidez y resistencia al impacto, así como una reducción del peso de muchas estructuras. Los primeros estudios sobre los compuestos de matriz metálica comenzaron en la década de los sesenta, paralelamente al desarrollo de los de matriz polimérica, debido a la necesidad de trabajar a mayores temperaturas y en ambientes más agresivos. La ausencia de una gama amplia de fibras, así como la alta reactividad de las mismas con las matrices, llevó a la paralización de este desarrollo inicial. El tema fue retomado en los años setenta, en EE.UU. y Japón principalmente, a través de diferentes programas de investigación. Actualmente, las matrices más utilizadas son Al, Ti, Mg y sus respectivas aleaciones, aunque también en otras aplicaciones se emplean matrices de cobre, hierro, níquel y tungsteno. En cuanto a las matrices, las aleaciones de aluminio de las series 2xxx, 6xxx, 7xxx y, actualmente, las de Al-Li (AA 8090), son las más comúnmente utilizadas para la fabricación de estos materiales. Además, en estos últimos años, el desarrollo de nuevas aleaciones con características superplásticas (Al-Li) o resistentes a elevada temperatura, están permitiendo un gran avance y aplicación de estos materiales. Por otra parte, los refuerzos incluyen principalmente cerámicas como carburos de silicio (SiC), alúmina (Al2O3), carburo de titanio (TiC) o carburo de boro (B 4C); otros materiales menos usados son el grafito, el diboruro de titanio (Ti 2B), o filamentos metálicos de boro, acero o tungsteno. La selección del tipo de material depende de las propiedades deseadas en el composite, su compatibilidad con la matriz y el proceso de procesado de ese composite. Una ventaja relacionada con el proceso de fabricación consiste en la posibilidad de modelar las propiedades finales mediante el control del procesado del CMM, es decir, mediante el control de la cantidad de refuerzo y su distribución dentro del material se pueden controlar ciertas propiedades finales del CMM. La forma del refuerzo tiene una importante influencia en las propiedades resultantes del CMM final. Dentro de los CMM se pueden considerar tres grandes grupos de acuerdo con la morfología de las fases reforzantes:


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1.- CMM reforzados con fibras continuas. 2.- CMM reforzados con fibras discontinuas (“whiskers” y fibras cortas). 3.- CMM reforzados con partículas dispersas. Las fibras, a veces denominadas filamentos, tienen una alta relación longitud/diámetro. Se emplean como refuerzos continuos en productos laminados y tubos. El resultado es la generación de propiedades anisotrópicas en la dirección de la fibra y el resto del material; con objeto de reducir esta anisotropía se pueden emplear fibrados en diferentes direcciones como, por ejemplo, 0º/45º/90º/135º. Las partículas dispersas representan el extremo opuesto a las fibras continuas y permiten obtener propiedades isotrópicas a un coste mucho más reducido que en el caso de las fibras. El método de procesado es similar al empleado en el procesado de la matriz metálica. El grupo de partículas intermedio entre las dispersas y el de las fibras continuas incluye las fibras cortas y los whiskers. De este modo sus propiedades resultan intermedias, en particular, la anisotropía/isotropía de las propiedades resulta intermedia entre los otros tipos de refuerzos. La designación adoptada por ANSI (35.5-1992) de los CMMs ha adoptado la designación definida por la Aluminum Association en la cual: Matriz/Refuerzo/Volumen/Forma siendo: Matriz

la designación del metal o aleación de la matriz.

Refuerzo

fórmula química del refuerzo

Volumen (%)

porcentaje en volumen (sin incluir %)

Forma

letra f (para fibras o filamentos); c (fibras cortas); w (whiskers); p (partículas).

De este modo la denominación 6061/Al 2O3/10p, designaría una matriz de 6061 reforzada con un 10% de partículas de alúmina.


Tema 1.18 -21-


Los sistemas más conocidos y sus posibles aplicaciones se muestran a continuación:

MATRIZ Aluminio

Magnesio Plomo Cobre Titanio Superaleaciones

FIBRA Grafito Boro Alúmina Carburo de Silicio Grafito Boro Alúmina Grafito Alúmina Grafito Boro Carburo de Silicio Carburo de Silicio Molibdeno

APLICACIÓN POTENCIAL Satélites, misiles, helicópteros. Alabes de compresores y soportes estructurales. Piezas de automoción. Estructuras a elevadas temperaturas. Satélites y estructuras espaciales. Antenas. Transmisiones de helicóptero. Acumuladores eléctricos. Acumuladores eléctricos. Contactos y soportes eléctricos. Componentes de motores a altas temperaturas. Ídem. Componentes de motores a altas temperaturas. Ídem. TABLA

4

APLICACIÓN DE DIFERENTES CMM 3.1.2.- Soldabili dad de l os CMMs

La tecnología de fabricación de composites de matriz metálica es bastante conocida. Sin embargo, solamente se puede encontrar un pequeño número de publicaciones acerca de uniones de CMM. En primer lugar, este hecho está de acuerdo con el extendido punto de vista, según el cual es necesario diseñar componentes de CMM sin utilizar procesos de soldadura; por otro lado, debido al alto coste de las investigaciones científicas y al carácter militar de muchas de ellas, se evita la difusión de los resultados obtenidos al aplicar los procesos de soldeo en los CMMs. Así mismo, una dificultad añadida en la fabricación de objetos para nuevas aplicaciones, especialmente en la industria aeronáutica, sería el hecho de que no solamente es necesario tratar con uniones CMM-CMM, sino también con uniones de CMMs con otro tipo de materiales (aluminio, acero, titanio, etc.). Los principales problemas que se presentan en la soldabilidad de CMMs pueden ser descritos como sigue: 1) Una gran diferencia de los puntos de fusión entre el agente de refuerzo (pudiendo alcanzar los 2500 ºC) y la matriz (aproximadamente 600 ºC - 1700 ºC). 2) Grandes diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre la matriz y el refuerzo, lo cual genera la formación de fuertes tensiones térmicas. 3) La combinación en el compuesto de materiales con diferente elasticidad lleva, durante la deformación en la soldadura en estado sólido (incluso sin precalentamiento), a la formación de esfuerzos normales de diferentes niveles en estos materiales, así como esfuerzos a cortadura en la interfase. Por ejemplo, en los CMMs reforzados con fibra, la deformación plástica de la matriz puede destruir o cambiar la configuración de la fibra provocando de esta manera la degradación de la resistencia del CMM. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.18 -22-


4) La diferente capacidad y conductividad calorífica de los componentes lleva a cambios en las condiciones de solidificación de la soldadura. 5) En contraste con los materiales convencionales, la resistencia de los CMM depende de la continuidad de las fibras. La ruptura de esta continuidad, típica en las uniones de CMMs, es difícil de compensar mediante los métodos tradicionales de unión. 6) Incluso en los casos en los que la temperatura seleccionada en el proceso de soldadura sea inferior al punto de fusión de la matriz, la duración del efecto calorífico puede ser elevada y, en consecuencia, se originarían reacciones químicas en las intercaras matriz-refuerzo provocando la pérdida de su resistencia por formación de fases frágiles. La degradación de la resistencia del CMM, debida a la formación de fases débiles en la intercara fibra/matriz, se puede observar en los compuestos con matriz de aluminio sometidos a una temperatura elevada. Por ejemplo, en compuestos Al/B se forma AlB 2 con un calentamiento superior a 700 ºK; las fibras de carbono también reaccionan con la matriz de aluminio en compuestos Al/C formando fases frágiles de Al4C3 en la intercara a temperaturas de aproximadamente 850 ºK. De cara a evitar la reacción, entre la fibra y la matriz, se recurre al revestimiento de fibras con carburos tales como SiC, TiC o ZrC. Estos revestimientos retardan la reacción en la interfase, aunque todavía puede ser posible la formación de estas fases frágiles en procesos con calentamientos prolongados. Puesto que la deformación plástica de la matriz causa la destrucción o un cambio en la configuración de las fibras, las técnicas que requieran una gran cantidad de deformación (unión por presión en estado sólido y soldeo por fricción) no son generalmente apropiadas para los CMM reforzados con fibras. Sin embargo, el soldeo por fricción rotativa podría ser aplicado con éxito en el caso de CMM reforzado con fibras cortas o partículas compuestas por óxidos. En los últimos años se ha desarrollado el proceso de soldeo por fricción-agitación, fricción-lineal o FSW, el cual es adecuado para la unión de CMMs de aluminio que tengan partículas dispersas. Dado que la temperatura alcanzada en el proceso es inferior a la de fusión de la matriz y a la de las partículas no se degenera el material gravemente. Si bien este proceso es adecuado, es preciso seguir trabajando para el control del mismo y para el aumento de vida útil de las herramientas dado que durante el procesado de estos materiales se produce la abrasión de la herramienta por parte de las partículas reforzantes. Aunque, el soldeo por difusión puede minimizar la deformación plástica durante el proceso de unión, en la intercara de la junta se requiere aún una significativa deformación plástica para conseguir una completa unión atómica; esta deformación podría causar daños y destrucción en la fibra, en detrimento del CMM en la zona de unión. El proceso de soldeo por soldadura fuerte resulta ser el más desarrollado para la unión de este tipo de materiales, produciéndose la unión entre la matriz del CMM y el segundo material (CMM u otro). Los procesos de soldeo que funden el material lo degeneran, destruyendo el efecto de los refuerzos. Por tanto, no suelen resultar adecuados para la unión de este tipo de materiales.


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3.1.3.- Procesos de sol deo de lo s CMMs

La diversidad de métodos de soldeo y la infinidad de posibilidades en cuanto a la composición de estos materiales, hace prácticamente imposible la elaboración de una regla general de comportamiento de las uniones en los CMM. Lo que sí resulta generalmente cierto es que si bien la resistencia de las uniones soldadas por procesos de soldeo por fusión puede llegar a ser comparable a la de la matriz sin refuerzo, la eficiencia de la unión será normalmente inferior. Por otra parte, dado que la zona de fusión carece de refuerzo, la rigidez en dicha zona será inferior, y la ductilidad puede ser superior. La mayor parte de las experiencias existentes emplean el aluminio y sus aleaciones como matriz. Por este motivo, este apartado se ceñirá a exponer de manera generalizada resultados reportados para el caso de composites de matriz de aluminio reforzados con partículas de SiC o Al 2O3, utilizando, para ello, los siguientes procesos de soldeo:

MÉTODOS DE UNIÓN EN ESTADO SEMISÓLIDO

MÉTODOS DE UNIÓN EN ESTADO SÓLIDO

SOLDEO POR FUSIÓN Soldeo TIG y MIG

Soldeo fuerte (“brazing”)

Unión por difusión

Soldeo por resistencia

Soldeo blando (“soldering”)

Unión por fricción

Soldeo Laser (LBW)

Unión adhesiva

Soldeo por haz de electrones (EBW)

Unión mecánica TABLA

5

PROCESOS DE SOLDEO PARA CMMS 3.1.3.a- Soldeo p or f ric ción de los CMMs

La soldadura por fricción rotativa, enmarcada dentro de los procesos en estado sólido, consiste en aplicar un rozamiento continuo entre las intercaras de unión manteniendo uno de los componentes fijo en contacto con otro sometido a un movimiento de rotación, todo ello bajo la acción de una presión axial (presión de fricción), la cual, genera un calentamiento en la intercara con el consiguiente reblandecimiento del material (sin llegar a alcanzar el punto de fusión). En un momento dado, el material comienza a fluir plásticamente, formándose un rebosamiento del mismo en la junta. Después de un tiempo predeterminado se suspende la fricción, manteniéndose una presión de forja, que puede ser ligeramente mayor que la presión inicial, para consolidar la soldadura. Teniendo en cuenta los resultados positivos obtenidos con este proceso de soldeo para la unión de metales con una gran diferencia en sus puntos de fusión (p.e. Al y W), se pensó en la utilización de esta técnica en uniones disimilares metal/cerámica. Concretamente se realizaron investigaciones en uniones de aleaciones de aluminio con Al 2O3 y ZrO2, logrando una alta resistencia. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Los últimos estudios realizados en este área han demostrado que los procesos en estado sólido pueden ser utilizados con éxito en la unión de una gran variedad de materiales compuestos de matriz metálica. Las principales ventajas de los procesos de soldadura en estado sólido frente a los de fusión se resumirían en que: 

No se forman fases fundidas.



La formación de fases frágiles no tiene lugar.



Se evitan los problemas de viscosidad y segregación de partículas tales como Al2O3 o SiC.

Aunque en el caso de soldadura por fricción se observa que la resistencia de la zona de unión es menor que la del material base, se puede conseguir una recuperación de propiedades mediante un adecuado tratamiento térmico de solubilización seguido de un envejecimiento artificial. Para ilustrar este proceso se presentan los resultados obtenidos en una serie de ensayos realizados por el TWI. Se utilizó el proceso de fricción rotativa con movimiento continuo, realizándose dos uniones, una de 2618/SiC con 2618/SiC y la otra de A357/SiC con la aleación sin reforzar 6082. Los ensayos iniciales que se llevaron a cabo tuvieron la finalidad de encontrar parámetros que lograran una buena unión. Se consiguió un amplio rango de condiciones satisfactorias para el soldeo, y como era de esperar fueron necesarias mayores presiones de forja para la unión de CMM-CMM que para la que contenía la aleación sin refuerzo. Las condiciones óptimas para ambos casos aparecen en la siguiente tabla.

Velocidad de rotación (r.p.m.)

Material

Presión de fricción (MPa)

Presión de forja (MPa)

Tiempo de soldeo (s)

Desplazamiento total (mm)

2618/SiC

950

172

260

4.4

8.5

A357/SiC con 6082

1460

80.7

104

1.5

4

TABLA

6

P ARÁMETROS PARA SOL DEO POR FRICCIÓN DE 2618/SIC Y A357/SIC CON 6082

Cuando se soldaban barras de 2618/SiC se producía una zona de deformación plástica muy limitada y, como generalmente ocurre en este proceso, siendo la calidad de la unión buena, sin la presencia visible de grietas. La soldadura entre la barra de 6082 y la fundición A357/SiC presentaba unas características interesantes, ya que aunque visualmente se apreciaba la zona de rebosamiento habitual en estas uniones, se observaba que procedía del material 6082 y no de la fundición. En el caso de la primera junta, en la región de unión, las partículas de SiC se disgregaron debido a la constante abrasión a la que se ven sometidas en la intercara. En el caso de la fundición A357/SiC la dispersión de las partículas es mucho más uniforme en las cercanías de la intercara y, es también interesante remarcar la capacidad de penetración de las partículas de SiC en el material 6082, que puede superar las 200 micras. Así mismo, un cuidadoso examen de las microestructuras evidenció que no se había producido ninguna reacción entre las partículas y la matriz. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Por otra parte, el proceso de soldeo por fricción lineal (FSW) que ha aparecido en 1991 presenta unas elevadas posibilidades para ser aplicado en uniones de este tipo de materiales que presentan partículas dispersas en la matriz. Se han conseguido uniones sanas con buenas características mecánicas. Sin embargo, es preciso desarrollar herramientas adecuadas para soportar las enormes solicitaciones a las que son sometidas durante el desarrollo de las uniones, en particular, debidas al efecto de desgaste de las mismas por efecto de las partículas dispersas en el material compuesto. 3.1.3.b- Soldeo por difu sión de los CMMs

La soldadura por difusión es un proceso en estado sólido por medio del cual se consigue la coalescencia de dos o más materiales, de igual o diferente naturaleza, al poner en contacto sus superficies y someterlas a una elevada temperatura, mientras se les aplica una presión interfacial durante un determinado intervalo de tiempo. La temperatura de soldadura es siempre inferior al punto de fusión de los materiales y la presión aplicada debe ser lo suficientemente baja como para evitar que se produzca una deformación macroscópica elevada. Aunque la difusión es una técnica esencial en la formación primaria de CMMs, los intentos para usar este método en procesos secundarios de fabricación no han conseguido buenos resultados. En particular, todos los intentos de unión de CMM de matriz de aluminio han producido uniones de muy baja eficiencia. La gran deformación y/o las altas temperaturas requeridas para la unión, en favor de la eliminación de la capa refractaria de alúmina, son las responsables de la pérdida de propiedades de la unión. En una búsqueda de mejora de estas propiedades, se vio cómo la utilización de intercapas metálicas conseguían incrementar la resistencia en la zona de soldadura. Entre los metales insertados en materiales compuestos de matriz de aluminio, la plata y el cobre que forman un eutéctico reaccionando con el aluminio a la temperatura de procesado, han resultado muy efectivos. Las aleaciones de Al-Si, con una temperatura de fusión menor que el aluminio, también pueden ser utilizadas como materiales intermedios. 3.1.3.c- Unión adhesiva y m ecánica

Los composites de matriz metálica tienen la posibilidad de ser unidos mediante ajuste mecánico, unión adhesiva o incluso una combinación de ambos. Teóricamente, todos los materiales compuestos deberían poder ser unidos mediante técnicas adhesivas. Sin embargo, muchos fabricantes evitan su utilización en uniones que trabajan soportando fuertes cargas, con lo que las fijaciones mecánicas son todavía muy utilizadas en estos casos. Hay muchos ejemplos de uniones en estructuras, donde la capa de adhesivo es el principal elemento soporte de carga. A pesar de esto, la utilización de adhesivos, es aún una tecnología vanguardista dentro de la industria. Los diseños de estructuras que contienen uniones adhesivas deben determinarse utilizando una combinación de experiencia práctica y un análisis detallado de esfuerzos dependiendo del coste, composición e importancia del componente. La cualificación de un diseño que garantice la seguridad del componente en condiciones críticas de trabajo, se realiza mediante ensayos con un prototipo a escala bajo condiciones parecidas a las de servicio. Las uniones adhesivas constituyen una técnica de fabricación para muchas aplicaciones en las cuales, métodos de unión tales como soldeo por fusión, riveteado y difusión no son eficaces. Por un lado, los procesos de soldeo convencionales por fusión tienen la tendencia de separar la matriz del refuerzo en el baño fundido; el riveteado, así como otras técnicas de uniones mecánicas, produce grandes -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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concentraciones de tensiones que pueden provocar una pobre resistencia a fatiga así como problemas de corrosión; la unión por difusión no es satisfactoria para secciones finas o intrincadas. Ante todos estos inconvenientes las ventajas típicas que presentan los adhesivos incluyen: 

La posibilidad de unir láminas estrechas, materiales disimilares y secciones intrincadas.



Μ



Superior resistencia a fatiga en comparación con construcciones empernadas.



Las uniones adhesivas, generalmente, presentan buenas características de amortiguación, y combinadas con plásticos reforzados pueden ser efectivas en la reducción de ruido o vibraciones.



Los adhesivos actúan como sellantes, ya que reducen la corrosión electroquímica y la penetración de humedad.



Evitan los problemas con el mecanizado de los agujeros para tornillos, los cuales actúan como puntos de fuerte concentración de tensiones en los composites.

ejora de la eficiencia estructural, con la utilización con frecuencia de un menor número de piezas.

Sin embargo, la necesidad de un cuidadoso diseño y preparación del área de unión que asegure una buena mojabilidad, la baja resistencia a esfuerzos de pelado y la degradación por humedad en la intercara composite/adhesivo puede limitar su utilización en campos específicos. Además, los adhesivos tienen las mismas limitaciones que cualquier grupo de polímeros, siendo sus propiedades dependientes de la temperatura, tiempo y porcentaje de carga. Con frecuencia, las uniones adhesivas son requeridas para soportar largos períodos de tiempo en ambientes agresivos, los cuales, pueden incluir una combinación de altas temperaturas y humedad. Trabajos recientes incluyen una investigación en los cambios asociados al comportamiento al impacto y a tracción con períodos de inmersión en agua, así como comportamiento a fatiga. En todos estos casos se estudió el comportamiento de uniones de CMM sometidas a varios pretratamientos químicos. Las uniones mecánicas presentan las ventajas de un fácil montaje y desmontaje, pequeña o ninguna preparación de las intercaras y además ofrecen buenas propiedades en ciclos térmicos o en condiciones de elevada humedad. Sus principales desventajas son: aumento del peso, concentración de tensiones, y baja rigidez de la unión. La unión mecánica es a menudo más efectiva en uniones con una relativa sección gruesa, porque las cargas pueden ser transmitidas a lo largo de todo el espesor. Los fallos que se producen en las uniones mecánicas pueden ser por tracción, cortadura u otro tipo de cargas que tenga que soportar la unión. Ha de tenerse en cuenta que los elementos de cierre (tornillos, ribetes etc.) debilitan el composite. Dentro de las aplicaciones de ingeniería son muy comunes las uniones tubulares, particularmente en las industrias aerospacial y del automóvil. Componentes de interés incluyen ejes, elementos de suspensión y tubos sometidos a torsión. Como consecuencia existen diseños patentados para cubrir una serie de aplicaciones específicas.


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 3.1.3.d- Sol deo TIG y MIG

Estos procesos de soldeo, por tratarse de métodos por fusión, presentan un gran número de problemas que ya se han descrito (formación de fases débiles, deformación de la matriz, reacciones entre matriz/fibra...), a los cuales se pueden sumar: 

Descomposición o disolución de fibras debido a las altas temperaturas durante la soldadura.



Formación de grietas y poros dada la pobre mojabilidad entre la fibra y el baño fundido.

Por otra parte, debido a la mayor viscosidad de los baños de fusión de los CMCs respecto a los materiales de la matriz y debido a la diferente conductividad térmica de ambos materiales, se produce una variación en la forma del baño de fusión final. Por otra parte, debido a la reducción de conductividad térmica y eléctrica respecto a la matriz, las uniones permiten, para los mismos parámetros eléctricos, un aumento de la penetración o de la velocidad. Sin embargo, la menor fluidez puede repercutir en un atrapamiento mayor de gases en la zona de fusión y por otra parte, el movimiento de las partículas puede conducir a que éstas se acumulen en ciertas zonas y se produzca una unión muy heterogénea. Un repaso a las investigaciones realizadas hasta el momento, indica que los resultados obtenidos sobre la soldadura de materiales compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas discontinuas, dependen en gran medida de las características de la matriz y del aporte. La mayoría de las investigaciones se han realizado con materiales de matriz de la serie 6xxx, aleación muy soldable y que admite el tratamiento térmico posterior a la soldadura por ser endurecible. Por ejemplo, cuando se sueldan CMMs, cuya matriz sea 6061, se pueden emplear aportes tipo ER4043 o ER5356 en función del tipo de refuerzo de la matriz. En términos de equipamiento y consumibles, el soldeo por arco para CMMs de aluminio es substancialmente similar al empleado en aleaciones convencionales de aluminio. Si consideramos que en la mayor parte de los casos se trata con porcentajes del 70 al 95% de matriz de aluminio, parece lógico que las reglas básicas en la selección de equipamiento y metal de aporte no presenten grandes variaciones. El gas de protección, generalmente, es argón, y el metal de aporte se elige en función de la matriz y de los requerimientos en servicio de la unión soldada. En el caso de las matrices de titanio el grado de protección exigido es aún mayor. Duralcan Ltd ha ensayado el soldeo de aleaciones endurecibles de aluminio reforzado con alúmina mediante TIG con aporte ER5356 (5% Mg), obteniendo buenos resultados en materiales con matriz de AA2024 y AA2219. También otros investigadores han conseguido realizar uniones sanas en el soldeo TIG de AA6061/Al 2O3/25p. También se ha conseguido soldar los CMMs de matriz de titanio mediante este proceso. En las pruebas se puede conseguir unir con adecuada resistencia. Sin embargo, se producen fases intermetálicas que quedan embebidas en la zona de fusión que pueden ser críticas para algunas aplicaciones. El proceso MIG, sin embargo, es el más utilizado en la producción de soldaduras debido a su fácil automatización y a su elevada razón de deposición. Por este último motivo, mientras que para espesores finos se utiliza preferentemente el proceso TIG, en uniones con espesores mayores de 3 mm generalmente se prefiere utilizar soldeo MIG. Duralcan Ltd realizó una serie de soldaduras en chapa de 3 mm de W6A.20A (composite de matriz A6061 con un refuerzo de 20% de Al 2O3), mediante soldeo MIG con un aporte de -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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ER5356, obteniendo unos valores de resistencia similares a los de aluminio convencional. Por otro lado, después de realizar un tratamiento térmico post-soldeo se consiguió incrementar la resistencia de la soldadura en detrimento del alargamiento. 3.1.3.e- Soldeo por resist encia

En los procesos de soldeo por resistencia el calor se genera por medio de una corriente eléctrica de elevada intensidad que se hace circular con ayuda de dos electrodos, durante un corto espacio de tiempo, a través de las superficies que se desean soldar. Los metales que constituyen la unión ofrecerán una resistencia al paso de corriente y, por tanto, se generará un calor, que será máximo en la intercara de las piezas (zona de unión) ya que la resistencia al paso de la corriente también es máxima en dicha zona. Este proceso ha sido aplicado principalmente en CMMs de matriz de aluminio. El período de aportación de calor es reducido y, por lo tanto, las posibles reacciones entre la matriz y la fibra se minimizan. Por otro lado, la formación de poros y grietas normalmente se controlan mediante la presión ejercida durante el proceso de soldeo. Además, si las condiciones de soldeo son apropiadamente seleccionadas, es posible obtener uniones con la suficiente resistencia. Recientemente se publicó un artículo en el cual se aplicaba soldadura por resistencia con la técnica de soldeo por puntos para uniones de CMMs de aluminio reforzados con partículas de SiC. Los composites de aluminio se sueldan por puntos utilizando condiciones similares a las empleadas para aleaciones convencionales de aluminio. Sin embargo, generalmente, estos materiales requieren menos intensidad eléctrica durante el soldeo, debido a un incremento en su resistividad asociado a la adición de partículas. Dado que esta técnica precisa de un corto período de calentamiento, de unos 0.1s, la reacción entre la matriz y la fibra puede ser prácticamente eliminada, evitando así la formación de Al 4C3. Observaciones microestructurales han revelado que las uniones producidas con esta técnica no contienen ni defectos, tales como poros o grietas, ni reacciones entre la matriz y la fibra. 3.1.3.f- Soldeo bl ando y fuerte

La soldadura blanda y fuerte pueden ser enmarcadas dentro de los procesos denominados de estado semi-sólido, ya que tienen la característica común de que únicamente se produce la fusión del material de aporte, a menos de 450 ºC en el caso de soldadura blanda (soldering) y a más de 450 ºC en el caso de la fuerte (brazing). De este modo se evita la fusión del CMM. Soldadura blanda La soldadura blanda presenta la ventaja de que al trabajar a bajas temperaturas previene la formación de reacciones entre matriz y fibra, en el caso de los CMMs con refuerzo de fibra. En un trabajo de la Facultad de Ciencias Químicas de Madrid, se realizaron una serie de pruebas con aleaciones de Al/Cu (2xxx) reforzadas con diferentes proporciones de partículas de SiC, obteniendo las siguientes conclusiones: 

Es posible la soldadura de CMMs de matriz de la serie 2xxx y refuerzos de SiC mediante soldadura blanda con aporte de aleaciones ricas en Zn, eliminándose los problemas de fusión intergranular que se generan con otros aportes.


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 

La mojabilidad de los aportes estudiados disminuye conforme aumenta la proporción de refuerzo en la matriz, independientemente del aporte empleado.

Soldadura fuerte El braseado o soldadura fuerte ha sido aplicada a CMMs con matriz de aluminio y también en uniones disimilares con aleaciones de titanio usando aleaciones de Al-Si como materiales de aporte. En un artículo presentado por el mismo equipo, se realizó un estudio de soldabilidad fuerte de diferentes CMMs de matriz de aluminio reforzados con partículas de alúmina, mediante un aporte de Al-Si. A continuación se presentan los resultados que se desprenden de estos ensayos: 

La mojabilidad de aportes de AL-Si sobre CMM de aluminio (6xxx y 7xxx) es aceptable para temperaturas en el intervalo 580-590ºC. Los mayores problemas se presentan en los materiales con mayor porcentaje de refuerzo al reducirse la mojabilidad.



Ε

l tipo de matriz del CMM determina la microestructura final del baño fundido y el grado de dilución.

3.1.3.g- Soldeo láser (LBW)

El soldeo láser, (conocido como LBW iniciales de Láser Beam Welding), es un proceso de unión que produce la fusión y la subsiguiente unión de dos superficies mediante el calor obtenido por el impacto de un haz coherente de fotones. En este proceso, es posible enfocar el haz en el material y, por lo tanto, controlar el aporte de energía y el área en la que éste incide. La zona de reacción es pequeña, consiguiendo además un mínimo impacto en la microestructura. Cuando un haz de láser incide en la superficie de una muestra, parte del haz es absorbido y el resto es reflejado dependiendo de la capacidad de absorción del material. La energía absorbida causa el calentamiento en la superficie del material, produciéndose la fusión del mismo si se aplica energía suficiente. Un aumento en el aporte de calor produce una mayor evaporación de los constituyentes. La presión de vapor de estos constituyentes y los gradientes de la tensión de la superficie en la región fundida producen la formación de una cavidad de vapor o “keyhole”. El keyhole es una cavidad ocupada por vapor o plasma, formado dentro del material directamente debajo del haz y comportándose como un cuerpo negro, absorbiendo toda la energía incidente del haz de láser. Como resultado, se crea una fuente de calor dentro del material y la energía es distribuida de forma lineal por todo el espesor. El keyhole es estrecho y las velocidades de enfriamiento en las regiones a su alrededor son muy elevadas, lo cual produce una zona afectada muy pequeña, siendo ésta la mayor ventaja del proceso de soldeo por láser. La efectividad de una soldadura láser depende inicialmente de la capacidad de absorción de la radiación por el material a soldar, siendo el aluminio, uno de los materiales más difíciles de unir. A 600ºC más de un 97% de la energía láser CO 2 es reflejada y no es por lo tanto utilizada para el calentamiento del material. Sin embargo, las partículas de carburo de silicio tienen valores de emisividad muy altos, con lo cual la adición de estas partículas a la aleación de aluminio puede mejorar significativamente la absorción de energía y, por consiguiente, la eficacia ó efectividad de la unión por láser.


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Con vistas a limitar la formación de carburos de aluminio durante el soldeo por fusión se ha recurrido a procesos, tales como el soldeo láser, donde tienen lugar ciclos térmicos muy rápidos. En diferentes estudios, utilizando tanto láser de CO 2 (pulsado y continuo) como de Nd YAG (pulsado), los rápidos ciclos térmicos utilizados por estos procesos hacen posible una distribución uniforme del refuerzo y un tamaño de grano fino. Sin embargo, a pesar de que los experimentos han demostrado que la microestructura del Al 4C3 puede ser modificada variando los parámetros del proceso, parece que el soldeo láser es incapaz de producir soldaduras libres de Al 4C3. Por otra parte, se dispone de un reducido número de estudios publicados acerca del soldeo láser en composites de matriz aluminio reforzados con alúmina. Al igual que el SiC, el refuerzo de Al 2O3 también es el principal encargado de absorber la energía del láser. Se ha utilizado el proceso láser de CO 2 en un composite 6061/Al 2O3/20p producido por pulvimetalúrgia. En vez de conseguir una unión, en los intentos iniciales de soldeo de diferentes probetas se produjo un corte de las mismas. Sin embargo, con la utilización de hilo de aporte 5083 y 4047, se consiguieron soldaduras aceptables. Kawali y Viegelahn investigaron la posibilidad de soldeo de una aleación de aluminio 6061 reforzada con un 20% de partículas de Al 2O3 y producida vía lingote de fundición. Se encontraron con problemas similares que atribuyeron a la formación de un plasma inestable sobre el baño de fusión. Para eliminar la presencia de este plasma, se procedió a colocar una pequeña boquilla de gas cerca del área de soldadura, lográndose de esta forma soldaduras sanas con una distribución uniforme de refuerzo. Se comprobó así mismo que la calidad de las soldaduras estaba estrechamente relacionada con la dirección de flujo del gas aportado en relación a la dirección de soldeo y al posicionamiento de la boquilla del mismo. Basándonos en este estudio se puede considerar que el LBW ofrece posibilidades en la unión de CMMs de aluminio reforzados con alúmina. 3.1.3.h- Soldeo por haz de electron es (EBW)

El soldeo por haz de electrones, (conocido como EBW, iniciales de Electron Beam Welding), utiliza como fuente de calor un haz de electrones altamente acelerado que se focaliza para hacerlo incidir sobre una zona muy localizada de la pieza con lo que se pueden alcanzar densidades energéticas elevadas, permitiendo altas velocidades de soldadura en grandes espesores. El soldeo por haz de electrones parece tener un gran potencial para la unión de algunos CMM de matriz de aluminio con refuerzo de SiC. Como el LBW, el proceso de EBW produce unos ciclados térmicos muy bruscos. Sin embargo, las interacciones físicas entre haz-material son diferentes para ambos procesos. El calor durante el LBW es el resultado de la absorción de fotones por parte del sustrato, mientras que en el caso del EBW ocurre por la transferencia de la energía cinética de los electrones al colisionar contra los átomos del sustrato. Un trabajo comparativo entre ambos procesos (LBW y EBW) para el caso de una fundición A356Al/SiC/15p reveló que mediante la utilización del EBW se conseguían uniones muy buenas y una formación de Al 4C3 en un orden de magnitud menor que en el caso de LBW. Las soldaduras por ambos procesos se realizaron con idéntico aporte térmico, velocidad de soldeo y diámetro de haz focalizado. Además, gracias al empleo de EBW se lograron soldaduras sanas con una distribución uniforme del refuerzo y un tamaño de grano fino. Las soldaduras por EBW, realizadas a menor velocidad contenían algo más de Al4C3. Parece quedar demostrado que los diferentes mecanismos de transmisión de energía afectan a la microestructura final de la soldadura en el A356 Al/SiC/15p y, por lo tanto, a las propiedades de la misma. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Desafortunadamente, el proceso por haz de electrones no es factible para todos los compuestos de aluminio reforzados con SiC ya que, por ejemplo, en el caso de un 2014Al/SiC/15p de laminación, en vez de unir el material lo que se consigue es cortarlo. Por otro lado, se desconoce si este problema era debido al proceso de fabricación (pulvimetalúrgia) o si era inherente al material.

3.2.- Unión de MCs de matriz po limérica (CMp) 3.2.1.- Introduc ció n

Como con el resto de los materiales compuestos el origen de los mismos está en la búsqueda de alternativas a los tradicionales homogéneos. Los materiales poliméricos compuestos surgen como alternativa a las aleaciones de aluminio debido a los problemas de corrosión y fatiga de estos. Básicamente, los materiales compuestos poliméricos se clasifican en función del refuerzo: 

por partículas.



por fibras.



por laminas.

En todos ellos, la matriz ejerce el efecto de mantener juntas, cohesiva y adhesivamente, los refuerzos, y distribuir los esfuerzos aplicados al material. Los materiales más empleados para las matrices serán: resinas epoxi, poliamidas, poliéster o termoplásticos. El proceso de unión por fusión de los materiales compuestos termoplásticos se logra por medio de un proceso de difusión de las moléculas de la matriz y se distingue en función de la naturaleza de la matriz: termoplástica o termoestable. En el caso de los plásticos termoestables no pueden ser unidos mediante procesos de soldeo por fusión, por lo que únicamente pueden unirse mecánicamente, mediante adhesivos o por una unión híbrida de ambos. En el caso de los polímeros termoplásticos, además de los métodos anteriores, pueden emplearse los de soldadura. Los procesos de soldeo utilizables para la unión de los materiales termoplásticos son los mismos que se pueden emplear para la soldadura de los materiales compuestos. Los procesos se clasifican en función de la localización del calentamiento: 

Externo: por medio de gas caliente, chapa caliente, implantes calentados inductivamente o por resistencia, por infrarrojos o mediante láser.



Internamente, generándose el calor en el interior, por microondas, fricción, vibración o ultrasonidos.

La unión por soldadura tiene ventajas sobre la unión por adhesivo o mecánica ya que: 

La unión mecánica introduce agujeros que pueden conducir a la generación de concentradores de tensión, debilitando así el material.



En la unión por adhesivos han de emplearse adhesivos compatibles con el material a ser unido.


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En la unión por soldadura se distinguen las siguientes etapas: 1. Preparación superficial en la que se limpien adecuadamente las superficies a unir. 2. Calentamiento y fusión de las superficies a unir. En general son más eficientes los calentamientos localizados. Además, el efecto de las fibras puede alterar la distribución del calor en la superficie y puede ser preciso aplicar presión durante el calentamiento. 3. Aplicación de presión con objeto de permitir un contacto íntimo que habilite el proceso de difusión. La viscosidad del material varía en función de la cantidad de refuerzo por lo que es recomendable el empleo de una zona rica en resina en la zona cercana a la junta a ser unida. 4. Proceso de difusión y formación de nuevos enlaces moleculares. 5. Enfriamiento y resolidificación de los materiales. 3.2.2.- Procesos de Soldeo de Materiales Poli mérico s Compu estos

Tal y como se ha adelantado en el apartado anterior las uniones por fusión de los materiales termoplásticos se clasifican en función de la localización del calentamiento entre métodos externos e internos. En ambos casos, las técnicas son similares a las empleadas para la unión de los materiales poliméricos de tipo termoplástico. 3.2.2.a.- Método s Externos

Los métodos externos fueron adelantados en el apartado anterior: por medio de gas caliente, chapa caliente, implantes calentados inductivamente o por resistencia, por infrarrojos o mediante láser. Vamos a describirlos brevemente en este apartado. En la técnica del gas caliente un chorro de gas a suficiente temperatura para la aplicación considerada es dirigido hacia la zona de la junta de soldadura con objeto de fundir una varilla de aporte conjuntamente con el material de la zona de la junta de soldadura. La limitación de este proceso está en la velocidad del mismo, que no puede emplearse en aplicaciones de alta resistencia, pero en cambio resulta ser muy flexible y puede ser empleado para aplicaciones en las que el volumen de soldadura sea reducido. En el método de chapa caliente se coloca una chapa caliente, en contacto o no, entre las partes a unir. Cuando la chapa ha calentado las superficies a unir, se aparta y se produce la presión entre estas. El método es adecuado para grandes producciones de piezas pequeñas y resulta limitado para pequeñas producciones o en aquéllas situaciones en las que se emplean refuerzos de alta conductividad térmica. El método del implante de una resistencia consiste en colocar una resistencia entre las superficies a ser unidas. Cuando se calientan por efecto Joule las superficies a unir se las presiona y quedan unidas. La resistencia queda embebida dentro del material por lo que ha de comprobarse que sea compatible con el material a ser unido. El calentamiento por inducción emplea las corrientes inducidas “eddy currents”, las cuales calientan el material de la interface. Como en el caso del implante de la resistencia, en este caso también queda embebido dentro por lo que se precisa que sea compatible con el material a soldar. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Procesos de Union Para Materiales Ceramicos

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