Estudio de la friabilidad en gránulos de partículas nanométricas y submicrométricas de alúmina con 13% en peso de titania aglomeradas mediante peletización en tambor rotatorio

Abstract

RESUMEN : Los recubrimientos protectores desempeñan un papel crucial en la industria moderna, especialmente en componentes sometidos a condiciones extremas de desgaste abrasivo. Los recubrimientos elaborados mediante proyección térmica, una tecnología que consiste en fundir y proyectar partículas sobre una superficie, se han convertido en una solución popular debido a su versatilidad y capacidad para mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de los materiales recubiertos. Dentro de los recubrimientos depositados por proyección térmica, aquellos elaborados a partir de partículas nanométricas o submicrométricas aglomeradas de alúmina (Al2O3) con un contenido aproximado de 13% en peso de titania (TiO2), han ganado relevancia en aplicaciones que requieren alta resistencia al desgaste abrasivo por contacto deslizante. La alúmina proporciona dureza y resistencia al desgaste, mientras que la titania mejora la tenacidad y la resistencia a la fractura del recubrimiento. Tradicionalmente, la aglomeración de polvos cerámicos se ha llevado a cabo mediante secado por aspersión, un proceso que implica la atomización de una suspensión acuosa de las partículas en una corriente de aire caliente, lo que resulta en la formación de aglomerados esféricos. Sin embargo, este método presenta ciertas desventajas, como el elevado consumo de agua y energía, así como la necesidad de una etapa de sinterización posterior para mejorar las propiedades de los aglomerados. En este contexto, el presente proyecto de investigación exploró una alternativa prometedora: la peletización en tambor rotatorio. Esta técnica, adaptada por los grupos de investigación GIPIMME y GIMACYR de la Universidad de Antioquia, permite la aglomeración de partículas nanométricas y submicrométricas con un menor consumo de agua y energía en comparación con el secado por aspersión. Además, la peletización en tambor rotatorio ofrece la posibilidad de obtener gránulos con una estructura más densa y compacta, lo que podría traducirse en una mayor resistencia mecánica y una mejor fluidez. Para evaluar la viabilidad de la peletización en tambor rotatorio como método de aglomeración de polvos cerámicos para proyección térmica, se llevaron a cabo una serie de experimentos. En primer lugar, se prepararon dos mezclas de polvos de alúmina y titania, de polvos nanométricos y submicrométricos. Cada mezcla se sometió a peletización en tambor rotatorio bajo condiciones previamente establecidas, obteniendo gránulos con tamaños entre 5 y 45 μm. A continuación, los gránulos obtenidos se clasificaron en dos fracciones de tamaño: -25 μm (partículas que pasan por el tamiz de la malla N° 500) y -45 +25 μm (partículas que pasan por el tamiz de la malla N° 325 pero son retenidas en el tamiz de la malla N° 500). La resistencia mecánica de cada fracción se evaluó mediante ensayos de friabilidad, usando un dispositivo construido para tal fin y adaptado al peletizador de tambor rotatorio, a partir de condiciones previamente establecidas en este proyecto. Para estos ensayos de friabilidad los gránulos se sometieron a impacto y abrasión con y sin bolas de alúmina. Los resultados se compararon con los obtenidos para polvos comerciales aglomerados por secado por aspersión, tanto sinterizados como no sinterizados. La friabilidad de las fracciones se determinó en términos de la cantidad de partículas que pasaron por el tamiz de la malla N°400 antes y después del ensayo de friabilidad y posteriormente, se verificó el cambio en el tamaño de partícula mediante imágenes tomadas por microscopía electrónica de barrido. Adicionalmente, se midió la fluidez de cada fracción de polvo aglomerado utilizando la relación de Hausner, un índice que relaciona la densidad aparente del polvo en reposo con su densidad compactada. Los resultados se compararon con los de los polvos comerciales, y se analizó la estructura superficial y transversal de los gránulos mediante microscopía electrónica de barrido para comprender su desempeño en las pruebas de friabilidad y fluidez. Por último, se elaboraron recubrimientos mediante proyección térmica por plasma atmosférico, tanto con los aglomerados de partículas nanométricas, como los de partículas submicrométricas, peletizados en tambor rotatorio. Para la elaboración de los recubrimientos se utilizó una antorcha Oerlikon-Metco Sinplex Pro Spray Gun de 9 mm de diámetro de salida del jet de plasma y el alimentador de polvo Twin 140 de la misma marca. La fluidez de cada uno de los dos polvos peletizados en tambor rotatorio se evaluó a partir del porcentaje de rotación del homogenizador del alimentador requerido para suministrar una determinada cantidad de polvo al jet de plasma y del espesor y estructura evaluadas sobre la sección transversal de los recubrimientos, comparando estos mismos parámetros con los del recubrimiento elaborado con el polvo comercial Oerlikon-Metco 6221. Los resultados de este estudio revelan que los polvos aglomerados, tanto nanométricos como submicrométricos, son más propensos a romperse por abrasión, que los polvos comerciales sinterizados y no sinterizados. En cuanto a la resistencia al impacto, los polvos peletizados a partir de polvos submicrométricos exhibieron un mejor desempeño que los comerciales, sin sinterizar. Sin embargo, los polvos comerciales sinterizados fueron los de mayor resistencia a la abrasión y al impacto. No obstante, tanto los polvos nanométricos como submicrométricos peletizados en tambor rotatorio, presentan una fluidez suficiente para ser alimentados al jet de plasma atmosférico, con un distribuidor de polvo como el Twin 140 de Oerlikon Metco, durante la elaboración de recubrimientos por proyección térmica. Por lo anterior, los polvos AT-13 aglomerados en tambor rotatorio no requiere sinterización para ser usados como materia prima en la elaboración de recubrimientos por proyección térmica.