Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El proceso denominado compactación isostática en caliente (o por su nombre en inglés, Hot Isostatic pressing, HIP) es un proceso de manufactura que ha tomado gran relevancia en las últimas décadas para la consolidación de polvos, dado que la aplicación simultánea de temperatura y presión ocasiona que los mecanismos de densificación (obtenidos tradicionalmente por sinterización) se vean optimizados; en efecto, la presión aplicada mejora los mecanismos de difusión y activa los mecanismos de densificación por deformación de las partículas, lo que permite obtener densidades de hasta 100% de su densidad teórica. Por otro lado, el molibdeno (Mo) es un metal de transición cuyas propiedades y características como aleante hacen de este un material de gran importancia en los mercados mundiales, en la producción de aceros de construcción, aceros inoxidables y superaleaciones. El Mo en su estado puro es usado en la industria en aplicaciones donde se requieren altos puntos de fusión, alta resistencia mecánica a altas temperaturas, alta conductividad térmica y/o alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, el molibdeno es un material complejo de procesar, por lo que su aplicación a gran escala en la industria solo puede ser concebida cuando el proceso producción es eficiente. Por lo anterior, el objetivo de este trabajo es plantear y desarrollar la base de aplicación del proceso de manufactura HIP en Mo, al desarrollar un modelamiento fenomenológico que permita obtener los mapas de compactación por HIP y contrastar, experimentalmente, los mapas y modelos empleados, al fabricar muestras a diferentes valores de presión, temperatura y tiempos de sostenimiento. Los resultados obtenidos permiten predecir la densidad relativa del Mo durante el HIP, en función de los parámetros de temperatura, presión y tiempo de sostenimiento, al igual que permiten determinar el mecanismo de densificación predominante.

Ingeniero Civil Mecánico / En el contexto de un estudio de creep en cobre reforzado con carburo de titanio nanométrico producido por pulvimetalurgia, es necesario conocer el valor del aporte del refinamiento de grano al esfuerzo de fluencia a temperatura ambiente. Durante tal estudio se han observado discrepancias entre lo predicho en la teoría y lo observado en el laboratorio para el aporte del tamaño de grano a una escala nanométrica. El endurecimiento por refinamiento de grano se modela a través de una ley de potencia, donde el aporte del tamaño de grano es igual a una constante por el tamaño de grano elevado a la menos un exponente. Tanto la constante como el exponente de la ley de potencia generan diferencias. Por esta razón, se busca estudiar el caso de cobre puro a temperatura ambiente, con tamaño de grano nanométrico, replicando el proceso de manufactura de pulvimetalurgia. El objetivo principal de este trabajo es encontrar la relación que existe entre el tamaño medio de grano y el límite de fluencia del cobre a temperatura ambiente. Para alcanzar el objetivo principal, se plantean los objetivos específicos de encontrar la constante y el exponente de la ley de potencia, junto con identificar el mecanismo de interacción dislocaciones-límite de grano y comparar los resultados obtenidos con la bibliografía. Para lograr los objetivos específicos, la metodología corresponde a realizar una extensiva revisión bibliográfica, manufacturar cinco probetas con distintos tamaños de grano nanométrico y evaluar el esfuerzo de fluencia de cada una de ellas. Se debe determinar el tiempo de molienda de los polvos de cobre para manufacturar las probetas, extruirlas en caliente y finalmente recocerlas para lograr distintos tamaños de grano, con densidad de dislocaciones constante. Las probetas se analizan con SEM para verificar el tamaño de grano y defectos de manufactura, DRX para evaluar el tamaño de cristalita y microdeformación, y con la máquina de ensayos de compresión para determinar el límite de fluencia. Los principales resultados corresponden a que el exponente es igual a 1, coincidiendo con el modelo de Pande y Masumura. La constante a temperatura ambiente es de 2,6Gb, la cual está influenciada por los defectos de manufactura del proceso de pulvimetalurgia, como poros y contaminación con la cápsula de extrusión. El mecanismo predominante es el de apilamiento de dislocaciones, el cual, dado el tamaño nanométrico de los granos, poseen una menor acción en el grano contiguo.

El cobre es frecuentemente utilizado por sus buenas propiedades conductoras tanto eléctricas como térmicas. Para aumentar su rango de aplicación, es de interés aumentar su resistencia mecánica a altas temperaturas, pero sin perder sus buenas propiedades conductoras. Lo anterior se puede lograr mediante la dispersión de finas partículas cerámicas en la matriz del cobre. Este trabajo tiene como objetivo la fabricación y estudio de la deformación en caliente de las aleaciones Cu-5%vol VC y Cu-2,5%vol Al2O3-2,5% VC. Se realizaron ensayos de creep y ensayos de creep escalón, con el objetivo de comparar los dos ensayos y validar el ensayo de creep escalón. También se estudió la textura de las moliendas y el efecto que tienen en ella los líquidos de molienda y los elementos aleantes. Las aleaciones se fabricaron mediante un proceso de pulvimetalurgia conocido como molienda reactiva. Se calculó la cantidad de polvos elementales necesarios para lograr la composición requerida en la molienda reactiva. La molienda se realizó llenando un molino atritor con bolas de acero inoxidable, se empleó tolueno como líquido de molienda para los polvos de Cu-V y hexano para los polvos de Cu-V-Al. Se realizaron moliendas de 10, 20, 30 h a polvos de Cu y de las aleaciones para compactar; luego se extruyó los polvos a 750◦ C. Los polvos molidos se caracterizaron mediante análisis químico, difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y microdureza. A las aleaciones CuV y CuVAl extruidas, se le realizaron ensayos de resistencia al ablandamiento a temperaturas de 400, 500, 600, 700, 800 y 900◦C por 1 h. Los ensayos de compresión en caliente se efectuaron para dos velocidades de deformación, 6x10−5 s −1 y 2x10−4 s −1 , y temperaturas de 20, 400, 500 y 700 ◦C. También se realizaron ensayos de creep y de creep escalón a temperaturas de 400 y 500 ◦C, para cargas entre 40 y 100 MPa. El análisis químico mostró una composición teórica de Cu-4,3%vol VC y Cu-1,91%vol Al2O3-2,5% VC. Los difractogramas sólo muestran máximos de Cu. Los polvos molidos de la aleaciones de Cu-V-C presentan textura en el plano (220) y los polvos molidos de Cu-V-Al no presentan textura en ninguno de sus planos. Se detectó una influencia de los elementos aleantes y del líquido de molienda en la textura; en particular el aluminio interfiere eliminando la textura en las moliendas de Cu y de las aleaciones. A través de microscopía electrónica de transmisión se observaron partículas de VC, V02 y V2O5 para la muestra Cu-V-C, en tanto que para la muestra Cu-V-Al-C se encontraron partículas de VC y CuO; no encontrándose Al2O3 en la muestra. En los ensayos realizados al material ya extruido, se encontró que la aleación de CuVAl presenta una mayor resistencia al ablandamiento que la aleación de CuV, si bien ambas aleaciones sufren una caída en la dureza superados los 700◦C, alcanzando un mínimo de 170 HV a los 900◦C. La aleación CuVAl presento una mayor resistencia a la compresión que la aleación CuV, independiente de la temperatura y de la velocidad del ensayo.Los ensayos de creep muestran que, para una misma carga, la aleación CuVAl presenta velocidades de deformación menores que la aleación CuV independiente de la temperatura. Las aleaciones presentan exponentes de esfuerzo aparente entre 2 y 6. Estos relativamente bajos valores sugieren que no hubo un reforzamiento por dispersoides. Los exponentes de esfuerzo aparente, calculados para el ensayo de creep escalón son siempre superiores a los del ensayo de creep, alcanzando diferencias de hasta un 300%.

La adición de polvos a la escoria requiere el empleo de un sistema que asegure la disolución completa de éstos, antes que se volatilicen. Para esto, se ha decidido emplear la reacción exotérmica que se genera al mezclar óxidos de arsénico con hidróxido de calcio, permitiendo formar arsenatos/arsenitos de calcio, los cuales podrían disolverse completamente en la escoria. El cemento tiene un importante contenido de óxido de calcio (CaO), llegando incluso a superar el 60% y al combinarse con agua forma hidróxido de calcio (Ca(OH)2). Por esta razón, el cemento puede ser empleado como aglomerante de los polvos antes de adicionarlos a la escoria. Con esto, el cemento podría proteger la liberación y volatilización del arsénico, permitiendo su disolución en la escoria como arsenito y arsenato de calcio. Por otra parte, el cobre contenido en los polvos como sulfato (CuSO4) podría ser reducido, permitiendo su recuperación al sedimentar como inclusiones de Cu2S. La presente investigación busca estabilizar el arsénico contenido en polvos de fundición empleando la vía pirometalúrgica mediante un proceso que incluye: − Mezcla de polvos de fundición con cemento − Adición de la mezcla a la escoria fundida. − Recuperación de cobre contenido en los polvos.

El presente trabajo se enmarca dentro del proyecto FONDECYT Nº 1070294 ejecutado por un equipo de investigación de la Universidad de Chile. El objetivo general es estudiar el efecto de la presión de compactación, la temperatura y el tiempo de sinterización sobre polvos aleados mecánicamente de Cu-1,2%p Al, Cu-2,3%p Ti y Cu-2,7%p V, sobre su densidad y microestructura tras sinterizar. Se fabricaron las aleaciones a partir de polvos elementales de Cu, Ti, Al y V, mediante molienda reactiva. Los polvos fueron compactados y sinterizados bajo atmósfera reductora. Para cada aleación, se estudió la densidad final y microestructura resultante de 8 condiciones diferentes de compactación y sinterización, de acuerdo con un diseño factorial del tipo 2N , donde se consideraron los siguientes parámetros: (1) Presión de compactación (200[MPa] y 400[MPa]), (2) Temperatura de sinterización (850[°C] y 950[°C]), (3) Tiempo de sinterización (1[h] y 4[h]). Se realizaron ajustes mediante regresión lineal para describir el efecto de la variación de la presión, temperatura y tiempo sobre la densidad de los materiales obtenidos, y se describió la morfología de la porosidad residual mediante observación en microscopio óptico. La densidad final máxima obtenida fue, en orden creciente: Cu-V (66%, 400[MPa], 850[°C], 4[h]), Cu-Ti (65%, 400[MPa], 950[°C], 4[h]), y Cu-Al (77%, 400[MPa], 850[°C], 1[h]). El proceso de molienda reactiva dio lugar a partículas con forma de hojuela, endurecidas por deformación, lo cual provocó que las aleaciones obtuviesen una densidad final mucho menor que el cobre puro sinterizado (densidad 87%). Esto se debe a que el polvo endurecido resiste la deformación durante la compactación, lo cual crea menos puntos de contacto entre partículas, hace más lenta la sinterización, y da lugar a una menor densidad. El elemento aleante influyó en el tamaño de partícula que se obtiene durante la molienda, lo que se atribuye a los diferentes medios de molienda (hexano para Ti y V, metanol para Al) y a la diferente dureza que confiere cada cerámica al formarse en el cobre durante la molienda. A mayor tamaño de partícula, se obtuvo mayor densidad en verde, menor densificación, y mayor densidad final, en correspondencia con la teoría. Para las tres aleaciones, el aumento de la presión de compactación da lugar a una mayor densidad en verde, una mayor densificación, y una densidad final mayor. Para mayor presión se observa un engrosamiento de la microestructura debido a la mayor densidad de dislocaciones del polvo, lo cual da lugar a una recristalización acelerada durante la sinterización, y un mayor crecimiento del tamaño de grano. Para las tres aleaciones, el aumento de la temperatura de sinterización produce mayor densificación y una densidad final mayor. La temperatura es un parámetro importante en la densidad final, ya que influye en forma exponencial en el coeficiente de autodifusión del cobre. A mayor temperatura se observa un engrosamiento de la microestructura, con mayor crecimiento del tamaño de grano, y los poros se esferoidizan. Para las tres aleaciones, el aumento del tiempo de sinterización produce mayor densificación, y una densidad final mayor. El tiempo es un parámetro poco relevante sobre la densidad final, ya que la distancia de difusión depende de la raíz cuadrada del tiempo. No se observan cambios en la microestructura al aumentar el tiempo de sinterización, a pesar de que la densidad aumenta.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Muestra los procesos a los que son sometidos los polvos metalúrgicos generados durante la fusión y oxidación de lodos recuperados de ánodos gastados de celdas de refinación electrolítica del plomo para obtener antimonio crudo de 98% de pureza. Los lodos durante los procesos de fusión y oxidación generan; (a) metal que sirve como materia prima para obtener plata (98%), selenio (99.9%) y telurio (99.9%); (b) escorias con 25% de antimonio y porcentajes variados de plomo, bismuto y plata; (c) escorias con alto contenido de bismuto que son materia prima para obtener bismuto refinado (99.999%) y; (d) polvos que pueden contener 55% de antimonio, 5% de plomo, 5% de bismuto y 2500 g/TM de plata, los cuales son precisamente materia prima para obtener 40-60 TM/ mes de antimonio crudo con 98% de pureza y metal con 20% de bismuto, 60% de plomo y 17000 gramos/ TM de plata que es reprocesado. El costo de producción del antimonio crudo, no supera los 3500 dólares la TM, y su precio en el mercado bordea los 10000 dólares/ TM, lo cual implica un beneficio económico de 325 000 dólares para una producción estimada de 50 TM/mes de antimonio crudo. Se da un alcance del sistema integrado de gestión empleado, basado en las normas ISO 9001, que nos permite sostener la calidad del producto, el ISO 14001 que nos permite administrar los aspectos y el impacto ambiental que los procesos generan, y la norma OHSA 18001 para gestionar la seguridad y salud ocupacional del personal, conforme a las normas legales vigentes. / Trabajo de suficiencia profesional

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ciencia de los Materiales / En la presente investigación se estudió la influencia de la aleación mecánica, de la composición de los polvos molidos de Mo y Cu, y de los elementos aleantes Ti y Al, sobre los mecanismos de sinterización en fase líquida, densidad, microestructura, propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas de estas aleaciones base Mo-Cu. Las aleaciones Mo-Cu tienen muchas aplicaciones en el ámbito industrial, en particular en el área de la electrónica, donde se utilizan principalmente como disipadores de calor y embalaje para circuitos electrónicos. El problema que presentan estas aleaciones radica en la mutua insolubilidad, tanto en estado sólido como en estado líquido, del Mo y del Cu, lo que impide que ocurra la etapa de solución-reprecipitación durante la sinterización en fase líquida. Esto se traduce en la presencia de porosidad en las microestructuras obtenidas y, por lo tanto, en una baja densificación. En la presente tesis se estudiará la factibilidad de que ocurra esta etapa si se parte con polvos de soluciones sólidas fuera del equilibrio de Mo y Cu, obtenidos mediante aleación mecánica. La investigación se llevó a cabo mediante tres etapas. La primera consistió en el desarrollo de aleación mecánica, para determinar la influencia de las condiciones del proceso sobre la composición de los polvos molidos de Mo-Cu. En la segunda etapa, tras compactar los polvos, se realizó la sinterización en fase líquida de los compactos Mo-Cu, para determinar la influencia de la aleación mecánica y de la composición de los polvos sobre la solución-reprecipitación. En la tercera etapa, se adicionaron dos elementos activadores, Ti y Al, a los polvos de Mo-Cu para establecer su efecto sobre la sinterización y densificación. Por último, se analizó el efecto de la microestructura de las diferentes aleaciones Finalmente, tras la caracterización de las muestras se observó que el tiempo de molienda fue insuficiente y se obtuvo una solución sólida parcial entre el Cu y el Mo, un incremento en el tamaño del parámetro de red para ambos, así como conductividades térmicas mayores a las alcanzadas en otras investigaciones, contraponiéndose a los bajos valores de la conductividad eléctrica. Se incrementaron también los valores de la dureza, producto de añadir Al y Ti.

Ingeniero Civil Mecánico / En el marco de un estudio realizado sobre los componentes que influyen en la resistencia mecánica del Cobre, se detallan las variables que influyen en ésta, cuantificando su aporte. Sin embargo, los resultados medidos experimentalmente no concuerdan con lo propuesto en la teoría. Por este motivo, se hace necesario el estudio de las discordancias presentes. En particular, se propone estudiar la influencia directa de la densidad de dislocaciones de manera independiente, sobre la resistencia mecánica del cobre. La idea es observar cómo y cuánto varía el límite de fluencia ante la variación de la densidad de dislocaciones en el material, para así contrastarlo, con lo propuesto por Besterci. El método experimental propuesto para este estudio, consiste en la fabricación de probetas a partir de polvos de cobre obtenidos por molienda de alta energía y después sinterizados por extrusión en caliente. Luego, con el fin de aumentar la densidad de dislocaciones, se procede a deformarlas en frío. Una vez confeccionadas las probetas, se realizan ensayos de compresión y análisis por difracción de rayos X. Así, se puede conocer tanto el esfuerzo máximo a compresión, como la densidad de dislocaciones efectiva, y además se consigue una imagen real de la microestructura. Es importante validar cada resultado obtenido, con el fin de verificar si cada proceso fue desarrollado de manera adecuada, y bajo parámetros controlados. Teniendo todos estos datos medidos, se obtiene la relación que determina la influencia entre la variable estudiada y la resistencia a compresión del material. Según los resultados obtenidos, se puede concluir que el tiempo de molienda adecuado para la elaboración de las probetas debe ser mayor o igual a 10 horas. Debido a que, a partir de este tiempo, el tamaño de cristalita tiende a estabilizarse. De acuerdo a lo visto en los resultados, los valores obtenidos se pueden utilizar como primera aproximación, sin embargo, algunos son descartados ya que se escapan de la tendencia esperada. Aun así, se logra obtener una expresión que relaciona la densidad de dislocaciones con el esfuerzo de fluencia. σ_f=6*〖10〗^(-8) √ρ+186,72 La poca precisión de los valores obtenidos tiene relación con la influencia no cuantificada de variables que modifican el límite de fluencia, como es la variación del tamaño de grano y el efecto embarrilamiento producto del ensayo de compresión, por lo que se proponen algunas consideraciones como realizar un recocido del material luego de extruirlo, además de contar con más muestras para identificar una tendencia más notoria.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniera Civil Mecánica / El presente trabajo, tiene como como objetivo la fabricación de compactos de TZM (Mo-0,5Ti-0,08Zr-0,02C) por la vía de la pulvimetalurgia con adición de carbono mediante el líquido de molienda y el posterior estudio de sus propiedades. Se fabricó la aleación a partir de polvos elementales de Mo, Ti y Zr mediante molienda reactiva. Los polvos fueron compactados a una presión de 450 [MPa] y sinterizados bajo atmosfera reductora. Se estudió la densidad final, dureza y microestructura para 9 condiciones diferentes de tiempo (2 4 h) y temperatura de sinterización (1400 2000 ᵒC). Se realizaron gráficas a partir de las mediciones desarrolladas para describir el efecto del tiempo y la temperatura sobre la densidad, y se describió la microestructura junto con la porosidad residual por observación en microscopio óptico. Posteriormente se realizó un tratamiento térmico de recocido, para recocido por un tiempo de 1 h a 4 temperaturas entre 500-1100 °C, con el fin de conocer el efecto de la temperatura sobre las propiedades del material consolidado. La densidad máxima obtenida para el experimento fue de 9593,30 kg/m3 (93,4% de la densidad teórica del material) y una dureza máxima de 251 HV. Ambos valores máximos se obtuvieron para la muestra sinterizada a 1900 °C por 4 h. Los resultados fueron usados para obtener la curva maestra de sinterización de los polvos fabricados, obteniéndose una alta correlación. El aumento de la temperatura de sinterización produce mayor densificación y una densidad final mayor. La temperatura es un parámetro importante en la densidad final, ya que influye en forma exponencial en el coeficiente de autodifusión del molibdeno. A mayor temperatura se observa también un engrosamiento de la microestructura, con mayor crecimiento del tamaño de grano, y los poros se esferoidizan. En el caso de la dureza, la temperatura tiene distinta influencia en los variados mecanismos de endurecimiento: por un lado, disminuye la dureza por aumento del tamaño de grano; por otra parte, el aumento en la temperatura aumenta la solubilidad de los elementos aleantes en la matriz de molibdeno y posteriormente, durante el enfriamiento, la precipitación de carburos. El aumento en el tiempo de sinterización produjo mayor densificación y una densidad final mayor. Aun así, el tiempo resulto ser un parámetro de menor influencia en la densidad final, producto de que la distancia típica de auto difusión del molibdeno depende de la raíz cuadrada del tiempo. También se observa un leve crecimiento de grano asociado al aumento del tiempo, el cual disminuye levemente el endurecimiento por límite de grano. El tratamiento térmico no produjo cambios apreciables en la densidad del material para las temperaturas estudiadas. Para el caso de la dureza sí se observa un decaimiento por sobre los 700 °C, causado por el aumento sostenido del tamaño de grano en función de la temperatura, como también de un probable aumento del tamaño de los carburos y una recuperación del material.

Las nuevas tendencias en el sector de alimentos incluyen la obtención de productos que, además de ser fuente de macronutrientes, aporten compuestos bioactivos que prevengan la aparición de enfermedades crónicas; siendo cada vez más importante satisfacer las necesidades específicas de poblaciones de individuos, ya sea en estado saludable o con una enfermedad particular. El objetivo del presente trabajo fue desarrollar sistemas de vehiculización para el transporte individual o simultáneo de antioxidantes naturales y minerales. Se obtuvieron polvos conteniendo zinc, extracto de yerba mate o una combinación de ambos, mediante la técnica de co-cristalización en matrices de sacarosa. En general, los productos obtenidos mostraron buena fluidez y bajos valores de contenido de humedad, actividad acuosa e higroscopicidad. Además, los compuestos activos encapsulados mostraron una buena estabilidad fisicoquímica durante el almacenamiento. Se prepararon bebidas con antioxidantes naturales usando como ingrediente los polvos con extracto de yerba mate. Estas fueron evaluadas sensorialmente por un panel de jueces no entrenados, encontrando elevados niveles de aceptación. Por otro lado, se prepararon tabletas mediante compresión directa, mezclando los compuestos activos encapsulados (zinc, extracto de yerba mate o una combinación de ambos) con excipientes (almidón de maíz y estearato de magnesio). Todas las formulaciones mostraron óptimas características de manipuleo (fluidez y humedad) y buena compactibilidad. Se evaluaron los atributos sensoriales de las tabletas obteniendo una buena aceptabilidad. Finalmente, se desarrollaron tabletas compartimentalizadas para co-vehiculización de zinc y extracto de yerba mate. Estas matrices permitieron mantener las propiedades individuales de cada compuesto activo. Para la compartimentalización, el almidón de maíz nativo fue usado como un vehículo de zinc. Las tabletas obtenidas se desintegraron rápidamente y mostraron una alta velocidad de liberación de los compuestos activos en agua. Los sistemas desarrollados para la vehiculización de minerales y antioxidantes naturales constituyen una alternativa para aumentar la ingesta dietaría de estos compuestos bioactivos con propiedades saludables.