Resumen de Fabricación de núcleos magnéticos amorfos mediante melt spinning y CDEC
- español
Los materiales con los que se fabrican los núcleos de transformadores eléctricos, así como otros dispositivos electromagnéticos, condicionan en gran medida el funcionamiento de estos. El empleo inicial de Fe o de aleaciones Fe-Si texturizadas ha evolucionado hasta la posibilidad de emplear aleaciones en estado amorfo, con menores pérdidas en la transformación de corriente. No obstante, la obtención de aleaciones en estado amorfo no es inmediata, ya que se requiere que dicha estructura persista a temperatura ambiente y a la de uso de estos dispositivos. En la presente Tesis Doctoral se pretende sinterizar polvos amorfos o nanocristalinos mediante una descarga eléctrica proveniente de un condensador (la técnica conocida como Consolidación por Descarga Eléctrica de Condensadores, CDEC). Se trata de una técnica de sinterización en la que se aplican simultáneamente, a una masa de polvo, presión y el calor generado por efecto Joule procedente de la corriente eléctrica de alta intensidad. La idea de emplear esta técnica radica en su rapidez, para poder mantener la estructura de partida de los polvos, y en la intención de poder obtener la geometría que se decida en la matriz de sinterización. Inicialmente es necesario realizar la puesta a punto de un equipo de melt spinning, una de las técnicas utilizadas para obtener aleaciones en forma de tiras en estado amorfo. Se trabajará con una aleación sencilla de Fe-Si-B, que garantiza una microestructura amorfa al enfriar muy rápidamente desde el estado líquido. Al obtener la aleación amorfa en forma de tiras es necesario moler el material para obtener polvo, para lo que se han probado diferentes molinos. Por último, mediante el uso de un condensador se procederá a la sinterización del polvo amorfo o nanocristalino. El objetivo de este estudio será analizar el efecto de las variables que intervienen en los procesos, y definir unas condiciones estándar de funcionamiento de los diferentes equipos empleados. Las variables consideradas incluyen aquellas del proceso de obtención de la aleación inicial en un horno de fusión por arco y, principalmente, las del proceso de melt spinning, es decir, velocidad de rotación de la rueda, distancia crucible-rueda, y temperatura y presión de eyección. Obtenidas las tiras amorfas se analizan las variables de molienda en diferentes equipos: molino Attritor, molino vibratorio de bolas y molino de aros, comparándose la granulometría y el carácter amorfo en función del tiempo de molienda y la frecuencia de funcionamiento en cada uno de los equipos. Por último, para la sinterización del material, se utilizará un equipo de descarga con una capacidad de 132 μF y una tensión de carga de 200 V, adecuando las condiciones óptimas de funcionamiento. Se ha comenzado también la puesta a punto de un equipo de alto voltaje con el mismo propósito. Sobre los materiales en forma de tiras obtenidos deberá controlase la calidad de las tiras, y principalmente el estado amorfo de las mismas mediante difracción de rayos X y microscopía SEM y TEM. Así mismo, sobre los polvos obtenidos tras la molienda mecánica, y los compactos sinterizados por CEDC, deberá controlarse principalmente la preservación del estado amorfo mediante difracción de rayos X y microscopía TEM. Además, en el polvo se controlará la granulometría por difracción láser, y en los compactos las características magnéticas, entre otras propiedades.
- English
Materials used to manufacture transformer cores, as well as other electromagnetic devices, greatly determine their operation. The initial use of Fe or texturized Fe-Si alloys has evolved to the possibility of using amorphous alloys, with lower losses involved in the electric current transformation. Nevertheless, obtaining amorphous alloys is not immediate, because such structure must persist at room and the use temperature of these devices. In this Doctoral Thesis, the aim is to sinter amorphous or nanocrystalline powders by means of the electrical discharge of a capacitor (the technique known as Capacitor Electrical Discharge Consolidation, CDEC). It consists in a sintering technique that simultaneously applies, to a powder mass, pressure and the heat coming from the Joule effect of a high intensity electric current. The idea of using this technique lies in its speed, allowing to maintain the initial structure of the powders, and in the intention of attaining the geometry decided in the sintering die. It is initially necessary to set up a melt spinning equipment, a technique used to obtain alloys in the form of ribbons in amorphous state. A simple Fe-Si-B alloy will be prepared, guaranteeing an amorphous microstructure by a very quick cooling from the liquid state. The amorphous alloy, obtained in form of ribbons, must be milled to obtain powders, for which different mills have been tested. Finally, the sintering process of the amorphous or nanocrystalline powder will be carried by using a capacitor. The objective of the work will be the analyze the effect of the variables involved in the processes, as well as defining standard operating conditions of the different used equipments. The variables to be considered include those of the process of obtaining the initial alloy in an arc melting furnace and, mainly, those of the melt spinning process, that is, rotation speed of the wheel, crucible-wheel distance, and ejection temperature and pressure. Once the amorphous ribbons are obtained, the milling variables will be analyzed for different equipments: attritor mill, balls vibratory mill and rings vibratory mill, comparing the granulometry and amorphous character as a function of milling time and working frequency in each one of the equipments. Finally, for the material sintering, a discharge equipment with a capacity of 132 μF and a voltage of 200 V is used, adapting the optimum operating conditions. It has also been started the setup of a high voltage equipment with the same purpose. On the ribbons obtained, their quality will be controlled, and mainly their amorphous microstructure by means of X-ray diffraction and SEM and TEM microscopy. Moreover, on the powder obtained after the mechanical milling, and the sintered compacts by CDEC, the persistence of the amorphous state will be controlled by X-ray diffraction and TEM microscopy. In addition, the powder granulometry will be controlled by laser diffraction, and on the compacts, the magnetic characteristics, among other properties.
