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 ( transformadores de metal amorfo ), dispositivos sensoriales, equipos de telecomunicaciones y electrónica de potencia. [2]
Un proceso típico de hilado por fusión implica la fundición del metal fundido mediante su inyección sobre 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 al tiempo que expone una nueva superficie al flujo de metal fundido, lo que permite una producción continua. La cinta resultante se dirige luego a lo largo de la línea de producción para ser empaquetada o mecanizada en otros productos. [3] [4]
Las velocidades de enfriamiento que se pueden lograr mediante hilado por fusión son del orden de 10 4 –10 6 Kelvins por segundo (K/s). En consecuencia, el hilado por fusión se utiliza para desarrollar materiales que requieren velocidades de enfriamiento extremadamente altas para formarse, como los vidrios metálicos . Debido a su rápido enfriamiento, estos productos tienen una estructura atómica altamente desordenada que les otorga propiedades físicas y magnéticas únicas ( ver metales amorfos ). [3] [5] [6]
Existen diversas variaciones del proceso de hilado por fusión que ofrecen ventajas específicas. Estos procesos incluyen la colada por flujo planar , el hilado por fusión con rodillos gemelos y el hilado por fusión con eyección automática.
El concepto actual de la centrifugadora de material fundido, que se originó con Robert Pond en una serie de patentes relacionadas de 1958 a 1961 (patentes de EE. UU. números 2825108, 2910744 y 2976590), 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 una técnica de colada continua en 1976, esta vez en la superficie exterior del tambor. [7] El proceso puede producir continuamente cintas delgadas de material, con láminas de varias pulgadas de ancho disponibles comercialmente. [8]
En el hilado por fusión, primero se funde la aleación o el metal en un crisol . Luego, se utiliza un gas inerte , generalmente argón , para expulsar el material fundido por una boquilla ubicada en la parte inferior del crisol. La corriente de líquido resultante se dirige hacia la superficie circunferencial exterior de una rueda o tambor giratorio que se enfría internamente. La superficie exterior del tambor se encuentra extremadamente 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 del material fundido, las fuerzas de corte generadas por el movimiento relativo de la superficie del tambor debajo del material fundido solo se extienden unos pocos micrones dentro del charco. En otras palabras, solo una pequeña cantidad del charco se ve afectada por la fricción de la rotación del tambor. En consecuencia, a medida que el tambor gira, la mayor parte del charco de material fundido permanece retenido entre la boquilla y el tambor por la tensión superficial . Sin embargo, el material fundido en el fondo del charco, que está en contacto directo con el tambor, se solidifica rápidamente en una cinta fina. La cinta solidificada se aleja de debajo de la boquilla en la superficie del tambor hasta 10° de rotación antes de que la fuerza centrífuga de la rotación del tambor la expulse. [1] [4] [9]
Este proceso ocurre de manera continua, por lo que a medida que se retira material solidificado de debajo del charco de material fundido, 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, hay muchos estudios que exploran los efectos de las variaciones en la configuración de la centrifugadora de fusión en aleaciones específicas. Por ejemplo, aquí hay un artículo sobre las condiciones específicas que se encontraron que funcionaban bien para el hilado por fusión de aleaciones Fe-B y Fe-Si-B.
En general, las hiladoras de fusión funcionarán con algunas variaciones 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 suele determinarse experimentalmente. Existen otras variables que se ajustan con menos frecuencia, pero no todos sus efectos sobre las dimensiones y la estructura finales 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.
El colado por flujo planar (PFC) es un proceso de hilado por fusión que se utiliza habitualmente para la fabricación industrial de láminas de vidrio metálicas anchas. 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 masa fundida cubre un área más grande del tambor, lo que a su vez forma un área más grande de cinta. [9] El PFC se suele colar al vacío para evitar la oxidación del material fundido, lo que afectaría la calidad del producto resultante. Se han logrado cintas de hasta 200 mm de ancho industrialmente utilizando PFC. [12]
En el hilado por fusión con rodillos gemelos se utilizan dos rodillos o tambores en lugar de uno. Los rodillos se colocan uno al lado del otro y se giran de forma que el de la izquierda gira en el sentido de las agujas del reloj y el de la derecha en el sentido contrario. Esta configuración hace que el material que pasa entre los rodillos sea empujado hacia abajo. El material fundido se lanza entre los rodillos, donde se enfría y se expulsa como una cinta. La ventaja del hilado por fusión con rodillos gemelos es que proporciona un alto grado de control sobre el grosor de la cinta resultante. Con un solo rodillo, controlar el grosor de la cinta es complicado, ya que implica un control estricto del caudal del material fundido, la velocidad de rotación de la rueda y la temperatura del material fundido. Con la configuración de rodillos gemelos, se puede lograr un grosor particular y constante simplemente cambiando la distancia entre los rodillos.
Hasta la fecha, el hilado por fusión de dos rodillos todavía está limitado casi exclusivamente a escalas de laboratorio. [13] [14]
El hilado de material fundido con eyección automática (AEMS) describe un tipo de hilado de material fundido en el que la eyección del material fundido se produce tan pronto como se ha licuado, lo que elimina la necesidad de que un técnico controle manualmente el caudal, la temperatura o el tiempo de liberación de la corriente de material fundido. [1]
Esta modificación permite una consistencia de cinta mucho mayor entre ejecuciones y un mayor nivel de automatización en el proceso.
El hilado por fusión se utiliza para fabricar láminas o cintas metálicas delgadas que son casi amorfas o no cristalinas . Las propiedades eléctricas y magnéticas únicas resultantes de los metales hilados por 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 repetitivos para formar un sólido cristalino. Sin embargo, en el hilado por fusión, la fusión se enfría tan rápidamente que los átomos no tienen tiempo de formar estas estructuras ordenadas antes de solidificarse por completo. En cambio, los átomos se solidifican en posiciones que se asemejan a su estado líquido. Esta estructura física da lugar a las propiedades magnéticas y eléctricas de los metales amorfos. [6]
El material amorfo producido mediante hilado por 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 proporcionan la capacidad de mejorar y/o canalizar el flujo creado por corrientes eléctricas, lo que las hace útiles para el aislamiento y el blindaje magnético.
Las propiedades magnéticas exactas de cada aleación dependen principalmente de la composición atómica del material. Por ejemplo, las aleaciones de níquel-hierro con una menor cantidad de níquel tienen una alta resistencia eléctrica , mientras que aquellas con un mayor porcentaje de níquel tienen una alta permeabilidad magnética . [15] [2]