Composites de matriz de aluminio reforzados con nitruro, una alternativa en el desarrollo de materiales de alto desempeño.

José Luis Ortiz.

Los procedimientos modernos de diseño tienden a incrementar la eficiencia estructural a través de reducciones en el peso o de incrementos en la relación resistencia/peso, conocida como Resistencia Específica. Los Materiales Compuestos de Matriz Metálica (MMCs) presentan propiedades físicas y mecánicas muy interesantes, tales como mayores módulos específicos, resistencias y estabilidades dimensionales que las correspondientes matrices sin reforzar. Las propiedades físicas, mecánicas, tribológicas y químicas que pueden obtenerse con los MMCs los han convertido en candidatos muy atractivos para ser empleados en la industria aeroespacial, automotriz y en otras numerosas aplicaciones. Recientemente, los MMCs reforzados con partículas han atraído la atención de los investigadores debido a su bajo costo y sus propiedades isotrópicas características.

Un amplio grupo de los trabajos de investigación sobre MMCs se ha dirigido al aluminio y sus aleaciones como materiales constituyentes de la matriz. La combinación de baja densidad (deseable en estructuras espaciales, aeronáuticas y automotrices), buena resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas aceptables, ha hecho de las aleaciones de aluminio y de algunos materiales compuestos en los que son empleados como matrices, un grupo muy popular de materiales. Por otra parte, el punto de fusión del aluminio y sus aleaciones es lo suficientemente alto como para satisfacer muchos requerimientos de aplicación y al mismo tiempo lo suficientemente bajo como para que su procesamiento en la elaboración de materiales compuestos no presente complicaciones severas. La alta conductividad térmica del aluminio es una propiedad deseable en algunas aplicaciones como sumideros electrónicos de calor y estructuras espaciales; sin embargo, este material tiene la desventaja de su elevado coeficiente de expansión térmica comparado con otros metales, tales como el cobre o el volframio. Una forma efectiva de reducir el coeficiente de expansión térmica del aluminio consiste en añadir algún agente de refuerzo, a fin de formar un Material Compuesto de Matriz de Aleación de Aluminio (Al-MMC). De aquí que el agente de refuerzo ideal para muchas aplicaciones tenga una baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica y una elevada conductividad térmica; condiciones que satisfacen algunos cerámicos.

El primer paso en la secuencia de manufactura de MMCs reforzados con partículas es la selección adecuada del refuerzo y de la aleación de la matriz. En la mayoría de los casos, los principales criterios de selección involucran cuatro aspectos fundamentales: desempeño, fabricabilidad, costo y disponibilidad. Mientras que los requerimientos de propiedades físicas y mecánicas pudieran limitar las alternativas de selección, la reactividad química de los refuerzos cerámicos ya sea durante la manufactura o durante el servicio, frecuentemente determinará la combinación final refuerzo-matriz.

Las aleaciones Al-Mg-Si se emplean extensamente en productos fundidos, forjados y extruídos; debido a que exhiben combinaciones de propiedades que las hacen adecuadas para un gran número de aplicaciones; al poseer una resistencia moderadamente alta después de haberse sometido a tratamiento térmico (generalmente T6), una buena resistencia a la corrosión y excelente formabilidad. Lo anterior las hace más adecuadas que las aleaciones de las familias 2XXX y 7XXX para muchas aplicaciones, ya que aunque la resistencia de éstas sea mayor, tienen una menor capacidad de conformado plástico (lo que implica mayores costos y complejidad de manufactura) y menor resistencia a la corrosión (lo que implica mayores costos de mantenimiento).

Los materiales de refuerzo en forma de partículas más empleados son los carburos y los óxidos. Los nitruros (que todavía se encuentran poco estudiados) aparecen como materiales de refuerzo con ventajas importantes sobre los refuerzos tradicionalmente empleados, debido a la baja reactividad a elevadas temperaturas con el aluminio, que promueve el mejor desempeño mecánico de la intercara matriz/refuerzo en aquellas aplicaciones a temperaturas relativamente altas en donde se presentan fenómenos de superplasticidad y fractura, fundamentalmente dúctil. Una de las desventajas en el uso de carburo de silicio como refuerzo a altas temperaturas la presenta la formación de carburo de aluminio, lo que ocasiona excesiva fragilidad de la intercara matriz/refuerzo y descenso de las propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Los materiales Al/Al2O3 tienen, en general, menor resistencia y ductilidad que los materiales reforzados con las mismas fracciones volumétricas de SiC, ya que la reacción entre la matriz y el refuerzo puede resultar en la formación de estructuras que afectan la resistencia de la intercara y al contenido de Mg en la matriz; por lo que el empleo de nitruros como material de refuerzo constituye una forma efectiva de evitar las reacciones indeseables, conservando al mismo tiempo resistencias aceptables.

En un esfuerzo por optimizar la estructura y las propiedades de los Al-MMCs reforzados con partículas se han desarrollado varias técnicas alternativas para su manufactura en los últimos veinte años. Estos procesos pueden clasificarse en cinco grandes categorías:
a) procesos en estado líquido, b) procesos en estado sólido, c) procesos en estado semisólido, d) procesos de deposición y e) producción in situ.

Entre los requisitos que debe satisfacer un proceso para obtención de Al-MMCs con refuerzos en forma de partículas se pueden mencionar:
* Incorporar el refuerzo sin rotur
* Consolidar el compuesto con una mínima degradación del refuerzo.
* Mantener una adecuada distribución de las partículas.
* Alcanzar una alta densidad en el compuesto.
* Permitir tratamientos térmicos posteriores
* Minimizar la variabilidad del producto, garantizando estándares de calidad.
* Posibilitar la producción en serie.
* Posibilitar procesos de unión (soldadura).
* Mantener costos competitivos.

Estas condiciones son satisfechas en muchas ocasiones por los procesos pulvimetalúrgicos, lo que los hace adecuados para producir Al-MMCs. La reacción entre el refuerzo y la matriz puede conducir a muchas complicaciones durante la manufactura de MMCs mediante procesos de fase líquida, debido a las altas temperaturas involucradas; por lo que los procesos en estado sólido son adecuados para formar componentes en los que se minimizan tales reacciones, además de reducir el mecanizado; con lo que se reducen los costos marginales; fijos y variables, relativos al material (bajo desperdicio, facilidad de manejo, mayor control); procesamiento (mano de obra, energía, control de calidad); almacenamiento, etc. En suma, el empleo de este tipo de refuerzos en este trabajo se fundamenta en las siguientes premisas:
* El uso de nitruros como agentes de refuerzo en aleaciones de aluminio se encuentra muy poco explorado hasta la fecha.
* En la literatura se indican ventajas comparativas de los Al-MMCs reforzados con partículas de nitruro (AlN y Si3N4) con respecto a los materiales reforzados con partículas tradicionales (SiC, Al2O3).
* La producción por vía pulvimetalúrgica de MMCs reforzados con nitruros, no requiere preparación superficial de las partículas cerámicas para evitar reacciones indeseables en las intercaras matriz/refuerzo.
* Existe disponibilidad de tales refuerzos en el mercado, existiendo un número elevado de proveedores potenciales.
* Al ser las densidades del AlN y Si3N4 ligeramente superiores a las de la aleación de aluminio y sus porcentajes en el MMC relativamente bajos, no se modifica substancialmente la densidad global del material.
* El costo de las partículas de AlN y Si3N4 es menor que el de la aleación base, lo que reduce los costos de la materia prima.