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DE ESCALA NANOSCÓPICA A ESCALA INDUSTRIAL. UN CAMINO DE IDA Y …. VUELTA?.

Escuela Giambiagi 2014 -1 al 5 de Septiembre de 2014. DE ESCALA NANOSCÓPICA A ESCALA INDUSTRIAL. UN CAMINO DE IDA Y …. VUELTA?. Alberto Somoza Instituto de física de Materiales Tandil – IFIMAT y Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires

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  1. Escuela Giambiagi 2014 -1 al 5 de Septiembre de 2014 DE ESCALA NANOSCÓPICA A ESCALA INDUSTRIAL. UN CAMINO DE IDA Y …. VUELTA?. Alberto Somoza Instituto de física de Materiales Tandil – IFIMAT y Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires CIFICEN (CONICET-UNCPBA) Tandil, argentina C I F I C E N

  2. Segunda generación de aviones supersónicos 2.2 Mach → 2.6 Mach La temperatura crece hasta ~ 150oC

  3. Nanotecnología de aleaciones: Control de tamaño y distribución; posición, física y química de endurecimiento de las nanopartículas Gran desafío para los físicos y los especialistas en Materiales …………………….. pero no un sueño.

  4. Grupo Radiaciones Nucleares Aplicadas - GRNA

  5. Colaboraciones efectivas del GRNA • Dipartimento di Fisica, Politecnico di Milano (Italia) • Dipartimento di Fisica, Universitá di Trento (Italia) • Department of Physics, Washington State University (USA) • Jet Propulsion Laboratory, NASA (USA) • Monash University (Australia) • Commonwealth Scientific Investigation and Research Organisation (Australia) • Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (Brasil) • Grupo ‘Materiales + Tecnologías’, Universidad del País Vasco (España) • Facultat de Física, Universitat de Barcelona (España) • Departamento de Física, Universidad de Buenos Aires • Departamento de Física, Universidad Nacional de La Plata • Instituto de Tecnología de Materiales, Universidad Nacional de Mar del Plata • División Metales, Centro Atómico Bariloche – Instituto Balseiro • Metalúrgica Tandil S.A. • FATE S.A.

  6. Acerca del termoendurecimiento TT ↔ mantener el material a una temperatura adecuada para que el comience la formación de estructuras nanoscópicas finamente distribuidas Secuencia de precipitación típica en aleaciones termoendurecibles SSS  clustering  GP zones  intermediate phase  final phase (depende de T, composición, condiciones de enfriamiento, etc.) • Envejecimiento secundario Endurecimiento por precipitación que se produce a Temperaturas relativamente bajas luego de una exposición de la aleació a altas temperaturas • Interés tecnológico del envejecimeinto secundario • Qué estudiábamos en el GRNA a nivel de ciencia básica?

  7. Estudio de los procesos atómicos involucrados en la nucleación de precipitados en aleaciones termoenvejecibles base aluminio durante el envejecimiento a temperatura constante • Específicamente ... brindar información del rol de las vacancias sobre los mecanismos de transporte de soluto que gobiernan cada etapa de precipitació y también ... • - del rol de los aleantes minoritario • - del efecto de la temperatura y de la duración del envejecimiento spobre el contenido de átomos de soluto en la vecindad de las vacancias Por ejemplo, ver: A. Somoza, A. Dupasquier, I.J. Polmear, P. Folegati, R. Ferragut. Physical Review B 61, (2000) 14454. A Somoza, M.P. Petkov, K.G. Lynn, A. Dupasquier. Physical Review B 65 (2002) 094107. “Studies of light alloys by positron annihilation techniques”.A. Dupasquier, G. Kögel, A. Somoza. Acta materialia 52 (2004) 4707-4726.Overview N140. Invited for Acta materialia to write this Overview.

  8. a b Técnicas de imágenes (TEM and HREM) A. Tolley, R. Ferragut, A. Somoza. Mater. Sci. Forum 519-521 (2006) 489.

  9. Very weak secondary ageing effects after 10 days at 150°C Strong secondary ageing effects after short heating at 150°C Espectroscopía de Aniquilación de Positrones Envejecimiento secundario - Al-4.8Zn-2.3Mg A. Dupasquier et al.Mater. Sci. Forum 445-446 (2004),16.

  10. Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) Al-4.8Zn-2.3Mg Evolución de clusters del tipo vacancia-Zn-Mg a zonas de Guinier-Preston 1 G. Riontino et al.Phil. Mag. Lett. 82 (2002) 495. .

  11. Small-angle X-ray Scattering (SAXS) Al-4.8Zn-2.3Mg • El calentamiento a 150°C destruye los pequeños clusters de soluto y promueve la precipitación de ’/ • El envejecimeinto a RT promueve la formación de clusters de soluto y de zonas GP1 A. Dupasquier et al.Mater. Sci. Forum 445-446, (2004)16.

  12. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Vinculación Universidad- EmpresaGRNA-MT S.A. Proyecto de I+D ANPCyT (PID 435/03) Esta colaboración surge como necesidad de MT de actualizar el conocimiento necesario para fundir piezas con aleaciones especiales de aluminio que respondan a las exigencias de propiedades mecánicas establecidas por los clientes del mercado globalizado actual. • OBJETIVO • Optimizar los procesos de producción utilizando, para ello, aleaciones de última generación complementado por el uso de tratamientos térmicos adecuados que permitan alcanzar las mejores respuestas mecánicas de las piezas fundidas. PLAN DE TAREAS Se partió del conocimiento que en ciencia básica se poseía acerca de los fenómenos de precipitación y de los mecanismos operativos, a escala nanoscópica, responsables de la mejora de las propiedades mecánicas macroscópicas de las aleaciones de aluminio en general para pasar, luego, al análisis de las aleaciones usadas por la empresa.

  13. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Por qué usar y diseñar fundidos de Aluminio Reducción de peso Capacidad de reflexión No toxico Bajo momento de inercia Fácil reciclaje Buen balanceamiento Cualidades y costos de mecanizado Absorción de vibración Superficies decorativas Resistencia a fatiga Resistencia al agua del mar Ductilidad Resistencia dinámica Resistencia a erosiones Alta deformación Resistencia a loscorto circuitos Resistencia a grietas y evolución lentade grietas Conductividad eléctrica No inflamable Ausencia de fragilización a temperaturas muy bajas Capacidad térmicaen herramentales Buena formación de bordes Conductividadtérmica Estabilidad de forma Economía de Proyectos Soldaduras de fundidos de aluminio con otros materiales Insertos ALU enfundidos en Hierro Soldadura fundido dealuminio con hierro y cobre Resistencia al desgaste Distribución de tensión

  14. METALÚRGICA TANDIL S.A., tradicional industria fundada en Argentina en 1948, desarrolla y produce, bajo los más altos índices de calidad, componentes en hierro gris, hierro nodular, aluminio y aleaciones especiales para el mercado automotor, agrícola, ferroviario, petrolero, minero y todo proyecto que necesite piezas fundidas / mecanizadas

  15. Planta Aluminio

  16. Hitos de la Planta Aluminio Exportaciones de piezas

  17. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Síntesis de la Interaccción • MODALIDAD OPERATIVA Se implementaron trabajos part-time y full-time entre el GRNA y MT, lo que produjo un fuerte crecimiento de ideas y vínculos basados en las necesidades del mercado metalmecánico, con eje en los objetivos del contrato entre partes. •  Dicha sinergia produjo: • VÍNCULOS • CODISEÑO • REDUCCIÓN DE COSTOS

  18. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil VÍNCULOS El mercado nacional e internacional de la industria del transporte en lo que hace a piezas fundidas exige que, sus clientes provean las piezas acompañadas de controles de calidad, certificados por organismos externos, tales como el análisis de fallas por medio de ensayos no destructivos, controles dimensionales, de composición química, etc. Las actividades se encuentran comprendidas en los fines del Polo Tecnológico de Materiales de Avanzada recientemente creado en el Campus Universitario de Tandil. Se efectuaron y fortalecieron más de setenta vínculos con empresas clientes en el período transcurrido.

  19. Latinoamérica IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Latinoamérica PRINCIPALES VÍNCULOS CONCRETADOS • NDT: Gammagrafía y/o Rayos X de Piezas RF • Proyecto Maza Aluminio Camión HMZ • Muestras RF con y sin Tratamiento Térmico y sus Ensayos • Sugerencia de cambio de Aleación B 319 x (A 356 ó A 357) VA • Explicación de por qué no se llega al alargamiento porcentual en la Aleación AS7G03 y sugerencia de nuevos TT más competitivos PSA • Informe sobre fortalezas de Aleación 356 vs. Aleación B319 VA RF • Visita SLA ar-br: Soporte técnico GRNA estableciendo ventajas de la fundición en Moldes Permanentes (coquilla KC ) respecto del Moldeo alta presión (Inyección DC) • Estudio radióscopico en procesos SLA SW. ‘ • Estudio de la deriva de la CQ : Estudios comparativos VA

  20. Latinoamérica IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Latinoamérica Latinoamérica • Análisis informe sobre la Aleación AS7G03: primer uso para la fundición de piezas VA RF • Informe sobre fortalezas y debilidades de PM vs. DC para cliente MTM DT • Informes para SLAAR entregados y analizados por MT • Avance de implementación de técnicas radioscopicas SLA SW • Reunión NOVACAST /GAMMA CA • Presentación a clientes SLABR GRNA + MT. Alternativas de nuevas aleaciones. • Informe sobre radiografía efectuada en piezas VW Bra • Análisis de determinaciones de CQ sobre patrón A356 ALCOA VA

  21. Latinoamérica IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Latinoamérica Latinoamérica • Fluoroscopía SLA SW • Informe GRNA sobre influencia Cu en sanidad de productos ALUAR • Informe sobre origen probable defectos de la pieza 190 ST ZF • Inicio controles y plan ensayos a escala de Planta (TT) PSA • Preparación visita clientes MT (SLA Br 4/5) (Aluar 15/05) al GRNA para informar sobre ensayos radioscópicos (X y Gamma) y sobre otros proyectos • Contacto MT/PSA/SLA sobre Workshop TALMA ’06 • Respuesta conjunta a posible misión Boeing en Tandil • Vínculo GRNA con CICPBA, La Plata (búsqueda de financiamiento del BID y Mrio Economía)

  22. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil CODISEÑO • Para interactuar con los diseños de clientes, se identificaron problemas críticos referidos tanto a la calidad de las piezas fundidas como a la posibilidad de optimizar los tratamientos térmicos necesarios para lograr las mejores propiedades mecánicas de las aleaciones utilizadas. Al mismo tiempo se abordó el estudio y desarrollo de aleaciones alternativas que permitieran al adoptante ingresar a mercados con alto desarrollo tecnológico. • Se sugirieron a clientes, mercado metalmecánico, el cambio de especificaciones metalúrgicas , en función de optimizar la elección del tipo de aleación más conveniente , de acuerdo a las exigencias del funcionamiento de los productos involucrados. • Se justificaron tales sugerencias bibliográficamente y vía ensayos a escala de Laboratorio y a escala industrial, usando como: • Tendencia a absorción de gases en aleaciones: • Variable: Composición química • Variable: Proceso de desgasificación del metal • Variable: Tecnología de fabricación (moldeo) Mejoría de respuesta estructural de productos cuyos orígenes de diseño metalúrgico era de Hierro Nodular y fueron evolucionados a aleaciones de aluminio.

  23. Latinoamérica IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Latinoamérica Latinoamérica PRINCIPALES VÍNCULOS CONCRETADOS • Análisis informe IFIMAT de Al AS7G03 (1er. uso en piezas VA RF) • Informe sobre fortalezas y debilidades de PM vs. DC para cliente MTM DT • Discusión de resultados de ensayos de tracción • Informes GRNA para entregar a SLAAR (analizados por MT). • Avance de implementación de un redióscopo SLA SW • Reunión NOVACAST /GAMMA CA • Presentación GRNA + MT a clientes SLABR. Propuesta de uso de aleaciones alternativas. • Informe sobre radiografía X en pieza VW Bra

  24. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Latinoamérica • NDT: Gammagrafía y/o Rayos x de Piezas RF • Proyecto Maza Aluminio Camión HMZ • Muestras RF con y sin Tratamiento Térmico y sus Ensayos • Informe sobre sugerencia de cambio de Aleación B 319 x (A 356 ó A 357) VA • Informe sobre fortalezas de Aleación 356 / Aleación B319 VA RF • Visita SLA AR-Br: Soporte FCE (IFIMAT) sobre ventajas Aleación Moldes Permanentes (coquilla KC ) s/ Moldeo alta presión (Inyección DC). • Estudio radióscópico en procesos SLA sw. • Deriva de CQ : Lab IFIMAT vs. Lab. de terceros .VA (16 prob MT+ patrón secundario)

  25. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil REDUCCIÓN DE COSTOS • Se busca optimizar el uso de tratamientos térmicos con el fin de producir un ahorro apreciable de energía eléctrica para la empresa adoptante. • El trabajo se basó en obtener soportes bibliográficos y teórico-prácticos tanto en el Laboratorio y como en la Planta Industrial sobre: • Optimización de Tratamientos Térmicos para la mejora de las Propiedades Mecánicas • Optimización de Tratamientos Térmicos para la mejora de los Procesos y la reducción de costos • Influencia de elementos claves tales como la composición química en la respuesta de las propiedades mecánicas y de sanidad estructural

  26. Latinoamérica IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Latinoamérica Latinoamérica PRINCIPALES VÍNCULOS CONCRETADOS • Fluoroscopía SLA SW • Informe GRN sobre influencia Cu en sanidad de productos ALUAR • Informe GRNA sobre origen probable defectos de pieza 190 ST ZF • Inicio controles y plan ensayos industriales Tto. Tco. PSA • Estudio comparativo de las aleaciones AS9U3 y AS7G03 ST ZF • Preparación visita clientes MT (SLA Br 4/5) (Aluar 15/05) a GRNA para informar ensayos radiografía X - Gamma + otros proyectos. • Contacto MT/PSA/SLA s/ TALMA 06

  27. Latinoamérica IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Latinoamérica • NDT: Gammagrafía y/o Rayos x de Piezas RF • Proyecto Maza Aluminio Camión HMZ • Muestras RF con y sin Tratamiento Térmico y sus Ensayos • Informar sobre sugerencia de cambio de Aleación B 319 por (A 356 ó A 357) VA • Explicación de por qué no se llega al alargamiento porcentual en la • Aleación AS7G03 y sugerencia de nuevos TT más competitivos PSA • Visita SLA ar-br: Soporte técnico GRNA estableciendo ventajas de • la fundición en Moldes Permanentes (coquilla KC ) respecto del • Moldeo alta presión (Inyección DC). • Estudio Radióscopo en procesos SLA sw. • Deriva de CQ : Lab IFIMAT vs. Lab. de terceros .VA • (16 prob MT+ patrón secundario)

  28. Desarrollos en Aluminio

  29. Efecto de los tratamientos térmicos sobre piezas fundidas a escala industrial

  30. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Tratamiento de envejecimiento en múltiples etapas (TTandil1) luego de aplicar un tratamiento térmico convencional (T6) Envejecimiento múltiple TTandil1 El enfriamiento incrementa la supersaturación Incremento en la tasa de endurecimiento Dureza T6 at 185C Tiempo(horas)

  31. Alloy Treatment 0.2% Proof Stress (MPa) UTS (MPa) % Elongation Fracture Toughness (MPam) 7050 T6 T6I4 T6I6 546 527 574 621 626 639 14 16 14 37.6 52.0 41.1 2214 (var. 2014) T6 T6I4 T6I6 386 371 416 446 453 483 14 13 16 26.9 27.1 36.2 6061 T6 T6I4 T6I6 267 302 299 318 341 340 13 16 13 36.8 43.2 58.4 357 T6 T6I4 T6I6 287 280 341 340 347 375 7 8 5 25.5 35.9 26.0 Interés tecnológico del envejecimiento secundario

  32. Microscopía óptica Caja de cambios ZF Caja de cambios ZF: Problemas al maquinar

  33. Microscopía óptica 0.1 mm 0.1 mm Poro de pequeñas dimensiones 0.1 mm Caja de cambios ZF: Análisis microestructural

  34. IFIMAT Instituto de Física de Materiales Tandil Vinculación Universidad- EmpresaGRNA-MT S.A. Proyecto de I+D ANPCyT (PID 435/03) DISTINCIONES COMO CONSECUENCIA DEL DESARROLLO DE ESTE PID • La Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica seleccionó al PID 2003-00435 otorgado a nuestro Grupo como el único proyecto del área de materiales (hubo seis en total para todas las disciplinas y mecanismos de financiamiento) para su video institucional con motivo de la conmemoración de su décimo aniversario. También se presentó un resumen de los objetivos y desarrollo del PID en la revista impresa para tal conmemoración. Año 2007. • TAMBIÉN …. ver en el título Novedades: “Casos de éxito” (desde la creación de la Agencia figuran sólo tres proyectos del sector metalmecánico), enlace • http://www.agencia.gov.ar/spip.php?mostrar=626&page=area_articulo • (publicado con fecha 7/02/2008)

  35. Proyección del presente PID (2008-2011) • Análisis de sanidad estructural de piezas (Al y….Fe?) • Determinaciones de porosidad • Cuantificación selectiva de fases (binarización de imágenes) • Producción de piezas sometidas a presurizados (baja y …alta presión?) • Implementación de métodos de avanzada control de calidad NDT con el uso de radiación electromagnética (Radioscopía) • Todos estos ítems tienen como objetivo la transferencia efectiva de tecnología • Pero …. un sueño frustado por falta de compromiso institucional (Universidad) a pesar que se consiguieron $1.987.082 (PID 2007-0038)

  36. Muchas gracias por su atención!!!

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