VIDRIOS METÁLICOS
Elias Alvaro Soler Jose Costa Nieto
Índice 1
1 Metal amorfo…………………………….pag.2 2 Historia…………………………………...pag.3 3 Propiedades………………………………pag.5 4 Aplicaciones………………………………pag.7 5 Referencias………………………………..pag.8
Metal amorfo:
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Muestras de Metal amorfo, con escala en centímetros. Un metal amorfo es un material metálico con una estructura desordenada a escala atómica. A diferencia de la mayoría de los metales, ue son cristalinos y !or lo tanto tienen un arre"lo sumamente ordenado de átomos, los aleados amorfos son no cristalinos. #os materiales en los cuales se !roduce una estructura así de desordenada en forma directa desde el estado líuido durante la solidificación se llaman $vidrios$, !or lo ue los metales amorfos son com%nmente referidos como $vidrios metálicos$ o $metales vítreos$. Sin em&ar"o, e'isten varias formas, además de la solidificación e'tremadamente rá!ida, !ara !roducir metales amorfos, incluyendo de!osición física de va!ores, reacciones de estado sólido, im!lantación de iones, melt s!innin", y aleación mecánica. Al"unos científicos no consideran a los metales amorfos !roducidos mediante estas t(cnicas como vidrios. Sin em&ar"o, los es!ecialistas en materiales consideran "eneralmente a los aleados amorfos como una %nica clase de materiales, inde!endientemente de cómo fueron o&tenidos.
Anti"uamente se !roducían !eue)os lotes de metales amorfos mediante una variedad de m(todos de enfriamiento rá!ido. *or e+em!lo, se an !roducido alam&res de metal amorfo mediante !ulveri-ación de metal fundido so&re un disco de metal "irando melt s!innin" o torneado en estado de fusión/. El enfriamiento rá!ido, ue se !roduce en el orden de millones de "rados !or se"undo, es demasiado rá!ido !ara !ermitir la formación de cristales y el material entonces ueda $atra!ado$ en estado vítreo. Más recientemente, se an o&tenido una serie de aleaciones con tasa de enfriamiento crítica lo suficientemente &a+a como !ara !ermitir la formación de estructuras amorfas en ca!as "ruesas más de 0 milímetro/. 1stos se conocen como vidrios metálicos masivos &ul2 metallic "lasses 3M4/ !or sus si"las en in"l(s/. #iuidmetal vende una serie de 3M4s a &ase de titanio, desarrollados en estudios llevados a ca&o ori"inalmente en el Caltec. Se an !roducido tam&i(n lotes de aceros amorfos ue muestran unas resistencias a la tracción muco mayores ue las de los aceros aleados convencionales.
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Historia:
El !rimer vidrio metálico re!ortado fue una aleación Au56Si76/ !roducida en el Caltec !or 8. 9lement Jr./, 8illens y :u;e- en 0<=>.0 Esta y otras aleaciones formadoras de vidrio metálico !rimitivas tenían ue ser enfriadas e'tremadamente rá!ido en el orden del me"a2elvin !or se"undo, 0>= 9?s/ !ara evitar su cristali-ación. Una consecuencia im!ortante de esta limitación fue ue los vidrios metálicos solo !odían o&tenerse en un n%mero limitado de formas !or lo "eneral listones, laminas o ca&les/ caracteri-adas !or tener una de las dimensiones "eom(tricas muy !eue)a, !ara !ermitir con ello ue el calor !udiera ser e'traído lo suficientemente rá!ido !ara alcan-ar la ó!tima velocidad de enfriamiento. Como resultado, los es!ecímenes de vidrio metálico salvo al"unas e'ce!ciones/ esta&an limitados a un "rosor de menos de 0>> micrómetros.
En 0<=<, mientras se estudia&a una aleación de 55.6@ !aladio, =@ co&re, y 0=.6@ silicio, se encontró ue tenía un ran"o crítico de enfriamiento de entre 0>> a 0>>> 9?s.
En 0<5=, . #ie&ermann y C. 4raam desarrollaron un nuevo m(todo de !roducción de cintas del"adas de metal amorfo en una rueda de "iro rá!ido su!erenfriada enfriador rotativo/.7 Bue una aleación de ierro, níuel, fósforo y &oro. El material, conocido como Met"las, fue comerciali-ado a comien-o de la d(cada de 0<> y fue utili-ado !ara transformadores de distri&ución de !otencia de &a+a !(rdida transformadores de metal amorfo/. El Met"lasD7=>6 está com!uesto !or un >@ de ierro y 7>@ de &oro, tiene tem!eratura de Curie de 5 FC y una ma"neti-ación de saturación a tem!eratura am&iente de 0.6= teslas.
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Al !rinci!io de la d(cada de 0<>, se !rodu+eron tam&i(n lin"otes vítreos de 6 mm de diámetro a !artir de una aleación de 66@ !aladio, 77.6@ !lomo, y 77.6@ antimonio, mediante una t(cnica de "ra&ado su!erficial similar al a"uafuerte se"uida !or ciclos de calentamiento y enfriamiento. Al utili-ar un fundente a &ase de ó'ido de &oro, se incrementó a un centímetro el "rosor alcan-a&le.
Gnvesti"aciones en la Universidad de Hoo2u y Caltec lo"raron aleaciones multicom!onente &asadas en lantano, ma"nesio, circonio, !aladio, ierro, co&re y titanio, con velocidades críticas de enfriamiento entre 0 9?s y 0>> 9?s, com!ara&le a la de los ó'idos vítreos.
En 0<, se encontró ue al"unas aleaciones de lantano, aluminio y co&re !odían ser altamente vítreas.
No o&stante en los <>I se desarrollaron nuevas aleaciones ue forman vidrios a velocidades de enfriamiento tan &a+as como un 2elvin !or se"undo. Estas velocidades !ueden lo"rarse sin !ro&lemas sim!lemente colando la aleación fundida en moldes metálicos. estas aleaciones amorfas $masivas$ !ueden moldearse en &loues de varios centímetros de es!esor de!endiendo el má'imo es!esor de cada ti!o de aleación/ reteniendo a%n una estructura amorfa. #as me+ores aleaciones vítreas se &asan en circonio y !aladio, !ero tam&i(n se conocen aleaciones &asadas en ierro, titanio, co&re ma"nesio, y otros metales. arias aleaciones amorfas se lo"ran e'!lotando un fenómeno llamado efecto $confusión$. Hales aleaciones contienen tantos elementos diferentes a menudo doce o más/ ue, al enfriar a velocidades suficientemente altas, los átomos sim!lemente no !ueden coordinarse en un estado cristalino esta&le antes de ue su des!la-amiento se deten"a. :e esta manera se consi"ue atra!ar a los átomos en un estado de desorden aleatorio.
En 0<<7, se desarrolló en Caltec la !rimera aleación amorfa comercial, el itreloy 0 K0.7@ Lr, 0.@ Hi, 07.6@ Cu, 0>@ Ni, 77.6@ 3e/, como !arte 5
de una investi"ación en nuevos materiales aeroes!aciales !or !arte del :e!artamento de Ener"ía de Estados Unidos y de la NASA. A (sta si"uieron otras variaciones.
En 7>>K, dos "ru!os tuvieron ('ito en !roducir acero amorfo masivo uno del a2 Oid"e National #a&oratory, el otro de la Universidad de ir"inia. El "ru!o de a2 Oid"e se refería a su !roducto como $acero vítreo$. El !roducto resultó carecer de ma"netismo a tem!eratura am&iente, y ser tam&i(n si"nificativamente más resistente ue el acero convencional, aunue falta&a un lar"o !roceso de investi"ación y desarrollo antes de ue estuviera dis!oni&le !ara uso !%&lico o militar.K 6
Propiedades:
A !esar de su nom&re un metal amorfo más &ien suele ser una aleación antes ue un metal !uro. #as aleaciones contienen átomos de tama)os si"nificativamente diferentes, esto !rovoca ue los vol%menes li&res sean &astante menores a los de los metales !uros, y esto a su ve- !rovoca ue estas aleaciones en estado fundido ten"an viscosidades varios órdenes de ma"nitud mayores ue las de las aleaciones normales y metales en estado fundido. Al ser muco más viscosas el movimiento de los átomos individuales es menor, lo ue dificulta ue se muevan con la suficiente ra!ide- !ara formar una retícula ordenada. #a estructura a nivel atómico del material im!lica tam&i(n una menor contracción durante el enfriamiento, y una mayor resistencia a la deformación !lástica. #a ausencia de &ordes de "rano, ue son los !untos d(&iles de los materiales cristalinos, conduce a una mayor resistencia al des"aste y a la corrosión. #os metales amorfos, si &ien son t(cnicamente vidrios, son más tenaces y menos frá"iles ue los ó'idos vítreos y las cerámicas.
#a conductividad t(rmica de los materiales amorfos es menor ue la de los cristalinos. Como la formación de estructuras amorfas se &asa en el enfriamiento rá!ido, esto limita el "rosor má'imo alcan-a&le. 6
*ara lo"rar la formación de la estructura amorfa incluso mediante enfriamiento lento, la aleación de&e estar com!uesta de tres o más com!onentes, lo ue lleva a celdas cristalinas unitarias com!le+as, con una mayor ener"ía !otencial y !or lo tanto menor cance de formación. El radio atómico de los com!onentes tiene ue ser si"nificativamente diferente más de 07@/ !ara lo"rar una alta densidad de em!auetamiento y vol%menes li&res &a+os. #a com&inación de com!onentes de&ería tener un calor de me-cla ne"ativo !ara ini&ir la nucleación de cristales y !rolon"ando así el tiem!o en ue el metal fundido se encuentra en estado so&reenfriado.
#as aleaciones de &oro, silicio, fósforo, entre otros elementos vítreos, con metales ma"n(ticos ierro, níuel, co&alto/ son ma"n(ticas, con &a+a coercividad y alta resistencia el(ctrica. #a alta resistencia !ermite ue !resenten menores !(rdidas !or corrientes !arásitas cuando se someten a cam!os ma"n(ticos alternados, una !ro!iedad ue resulta muy desea&le, !or e+em!lo, en los n%cleos de transformadores.
#as aleaciones amorfas tienen !ro!iedades !otencialmente %tiles. En !articular, tienden a ser más fuertes ue las aleaciones cristalinas uímicamente similares, y !ueden so!ortar una mayor deformación elástica reversi&le. #os metales amorfos de&en su fortale-a !recisamente a su estructura no cristalina, ue no !resenta los defectos ue limitan la resistencia de las aleaciones cristalinas como las dislocaciones/. Un metal amorfo moderno, conocido como itreloy, tiene una resistencia a la tracción de al menos el do&le ue la del titanio de alto "rado. No o&stante, los metales vítreos a tem!eratura am&iente no son d%ctiles, y tienden a fallar &ruscamente cuando se traccionan, lo ue limita su utilidad en a!licaciones de confia&ilidad crítica, donde la falla iminente no suele ser evidente. *or lo tanto ay considera&le inter(s en !roducir materiales com!uestos de matri- metálica, ue consisten en una matri- de vidrio metálico ue contiene en su interior !artículas dendríticas o fi&ras de un metal cristalino d%ctil.
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Hal ve- la !ro!iedad más %til de los metales amorfos masivos es ue son vidrios aut(nticos, lo ue im!lica ue se a&landan y fluyen con el calor. Esto !ermite ue sean !rocesados !or t(cnicas muy sencillas, tales como el moldeo !or inyección, en formas similares a los !olímeros. Como resultado, las aleaciones amorfas se an comerciali-ado !ara uso en eui!amiento de!ortivo, dis!ositivos m(dicos y "a&inetes !ara eui!amiento electrónico.
Se !uede de!ositar una ca!a del"ada de metal amorfo como cu&ierta !rotectora mediante termo!royección o'iDcom&usti&le de alta velocidad.
Aplicaciones:
#os metales amorfos vidrios metálicos/ muestran un com!ortamiento %nico de a&landamiento !or encima de su tem!eratura de transición vítrea, este com!ortamiento se a e'!lorado en forma creciente !ara a!rovecarlo en t(cnicas de conformación termo!lástica.
Se a demostrado ue los vidrios metálicos !ueden moldearse en escalas e'tremadamente !eue)as desde 0> nm a varios millimetros.=
Se a su"erido ue esto !uede resolver los !ro&lemas de nanoim!resión lito"ráfica, los nanomoldes de silicio se rom!en con facilidad, mientras ue los nanomoldes de vidrio metálico resultan más fáciles de fa&ricar y más duraderos.
Se cree ue la aleación HiK>Cu=*d0KLr0> es no cancerí"ena, tres veces más resistente ue el titanio, y su módulo de elasticidad se a!ro'ima al de los uesos. tiene una alta resistencia al des"aste y no !roduce !olvo !or a&rasión. No e'!erimenta contracción durante la solidificación, !or lo ue 8
!uede ser moldeado con su volumen definitivo. Se !uede "enerar una su!erficie &ioló"icamente com!ati&le mediante modificación de la su!erficie !or láser, !ermitiendo una me+or unión con el ueso.
El M"=>Ln6Ca6, enfriado rá!idamente !ara lo"rar una estructura amorfa, está siendo investi"ado como un &iomaterial !ara im!lantación en uesos como material de &ase !ara la fa&ricación de tornillos, clavos, o !lacas !ara ser utili-ado en fracturas. A diferencia de los materiales tradicionales como el titanio o acero, (ste material se disuelve a ra-ón de 0 mm !or mes, y es reem!la-ado !or te+ido óseo. Esta velocidad !uede modificarse a+ustando el contenido de cinc.
Referencias:
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