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