Metal Glass – Evolucion Historica

El primer metal glass reportado fue una aleación (Au75Si25) producida en Caltech por W. Klement (hijo), Willens y Duwez en 1960. Esta y otras aleaciones vidriosas antiguas tenian que ser enfriadas muy rápidamente (en el orden de un megakelvin por segundo, 106 K/s) para evitar la cristalización. Una consecuencia importante de ello es que los metal glass (con algunas excepciones) se limitaron a un espesor de menos de cien micras.- (vidrios metálicos) sólo podían ser producidos en un número limitado de formas (por lo general, cintas, bandas, o cables) en la cual una dimensión era pequeña para que el calor pudiera ser extraído con la rapidez suficiente para alcanzar la velocidad de enfriamiento necesaria.

Evolucion Historica del Metal Glass

En 1969, se encontró una aleación de 77,5% paladio, 6% de cobre, y 16,5% de silicio la cual tenia una velocidad critica de enfriamiento entre 100 K/s a 1000 K/s.-
Turnbull y Chen formaron esferas amorfos de Pd-H-Si (con M = Ag, Cu, o Au) a tasas de enfriamiento crítico de 100° C s-1 a 1000° C s-1, específicamente Pd77.5Cu6Si16.5 con un diámetro de 0,5 mm. En algunas aleaciones Pd-Cu-Si y Ag-Pd-Si, el rango de líquido super enfriado (temperatura de transición entre la cristalización y la formación vítrea) se amplió a 40º K, lo que permitió la primera realización de estudios detallados de cristalización en metal glass.-
En 1974, Chen obtuvo un espesor crítico de fundición de 1 mm con Pd-TP (T = Ni, Co, Fe)  y un grosor ligeramente mayor con Au55Pb22.5Sb22.5 en 1982.-

En 1976, H. Liebermann y C. Graham desarrollaron un nuevo método de fabricación de cintas delgadas de metal amorfo en una rueda super enfriada de giro rapido. Se trataba de una aleación de hierro, níquel, fósforo y boro. El material, conocido como Metglas, fue comercializado a principio de 1980 y utilizado para transformadores de distribución de baja pérdidas de potencia (transformadores de metal amorfo). Metglas-2605 está compuesto de un 80% hierro y el 20% de boro.-

En el decenio de 1980, lingotes vidriosos con 5 mm de diámetro fueron producidos a partir de la aleación de 55% paladio, 22,5% de plomo y 22,5% antimonio. El uso de un flujo de óxido de boro,  aumentó el espesor alcanzable a un centímetro.-
Desde 1980, Akihisa Inoue, del Instituto de Investigación de Materiales  dependiente de la Universidad de Tohoku, y William L. Johnson, de Caltech han descubierto aleaciones vidriosas de múltiples componentes La, Mg, Zr, Pd, Fe, Cu, Ti; aleaciones a bajas tasas de enfriamiento comprendidas entre 1° C s-1 a 100° C s-1 , similar al óxido vidrioso. Estas propiedades permiten un aumento en el tiempo (de milisegundos a minutos) antes de la cristalización, lo que permite un mayor espesor crítico (> 1 cm) por moldeo convencional.-

En 1988, se comprobó que las aleaciones de lantano, aluminio y mineral de cobre presentaban facilidad para ser convertidas en metal glass.-
Inoue descubrió que La-Al-TM (TM = Ni, Cu) es fácilmente convertido en un material vidrioso, mientras que la investigación de la mezcla de materiales de tierras raras, como lantánidos con Al y metales ferrosos. Utilizando moldes de Cu, consiguieron producir La55Al25Ni20 vidrioso hasta 5mm de espesor, en 1991, La55Al25Ni10Cu10 hasta un espesor de9 mm. Tambien se demostro que Mg-TM-Y posee alta capacidad de formación de vidrio en forma de Mg65Cu25Y108 . Una extensa región de líquido superenfriado (a 127º K) se logró de Zr-Al-Ni-Cu, con un espesor critico de fundición, de 15 mm para Zr65Al7.5Ni10Cu17.5 . Johnson y Peker de Caltech desarrollaron una aleación sobre la base de Zr-Ti-Cu-Ni en 1992, Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5, como parte de un proyecto financiado por la NASA y el Departamento de Energia de los EEUU para desarrollar nuevos materiales aeroespaciales. Con espesor crítico de fundición de hasta 10 cm posible en contenedores de sílicio, la aleación se conoce como Vitreloy 1 (Vit1), el primer BMG (cristal metalico a granel) comercial. Variantes incluyen Vit2 (Zr46.75-Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5). Más recientemente, Kündig en ETH Zurich ha estado investigando aleaciones de Zr-Ti-Cu-Ni-Al, centrándose en aquellas similares a Vit 105 (Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10), una de las mejores aleaciones.-

En la década de 1990, sin embargo, se han desarrollado nuevas aleaciones con tasas de enfriamiento tan bajo como un grado Kelvin por segundo. Estas tasas de enfriamiento se pueden lograr mediante un simple fundido en moldes metálicos. Estas aleaciones amorfas “a granel” pueden ser fundidas en partes de hasta varios centímetros de espesor (el espesor máximo es función de la aleación), manteniendo al mismo tiempo una estructura amorfa. La mejores aleaciones vidriosa se basan en circonio y  paladio, pero las aleaciones a base de hierro, titanio, cobre, magnesio y otros metales también son conocidos. Muchas aleaciones amorfas están formadas por la explotación de un fenómeno llamado el efecto “confusión”. Esas aleaciones contienen tantos elementos diferentes (a menudo más de una docena) que, tras el enfriamiento a tasas suficientemente rápido, los átomos constitutivos no se pueden coordinar a sí mis-mos en un estado cristalino de equilibrio antes de que la movilidad sea detenida. De esta manera, el estado desordenado azaroso de los átomos es “capturado”.-

Bajo los auspicios de un período de tres años en la Red Europea RTN en metal glass a granel, que concluyó en abril de 2003, grupos en: el Instituto National Politecnico de Grenoble, el Instituto Leibniz de Estado Sólido y Materiales de Investigación Dresde, Instalaciones de Radiacion Sincróton Europeas, el Instituto de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cracovia, la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Autónoma de Barcelona, y las Universidades de Cambridge, Sheffield, Ulm y Turín colaboraron en el desarrollo de Zr, Mg, Fe, Al, Pd, Hf y las aleaciones a base de Nd. Investigación destinada a aumentar las concentraciones de elementos ligeros, tales como Ti, Al y Mg en el medio ambiente seguro, libre de ser aleaciones a base de Zr.-

Una descripción general del espesor critico de fundición y la fecha de descubrimiento se muestra en la fig. 7. Los progresos han sido significativos y se resumen a continuación.-

metal glass. evolucion del espesor
El espesor critico de fundición versus el año en el que se descubrieron las aleaciones. En más de 40 años, el espesor crítico de fundición se ha incrementado en más de tres órdenes de magnitud.-

Figura 7

En el 2003, Joseph Poon y Gary Shiflet de la Universidad de Virginia en Charlottesville anunciaron el primer vidrio (metal glass) de acero, que contiene carbono, hierro y un poco de manganeso.
Como el manganeso no es magnético, el material resultante fue uno de los primeros aceros no magnéticos. Podría ser un gran avance ya que los barcos construidos de acero no magnético serían capaces de eludir la detección de radar más fácilmente. El material de Poon y Shiflet sigue siendo bastante frágil, pero el proceso es rápido. De hecho, los investigadores ahora saben que ellos buscan la unión parecida a un líquido, ellos han sido capaces de producir un número de unos pocos nuevos cristales metálicos baratos en los meses pasados. “En lugar de tardar dos meses buscando materiales al azar, se pueden encontrar en un día o dos días”, dice Poon.-

La compañía Liquidmetal ya produce cristal a base de platino metálico para dispositivos médicos, hojas de bisturí y raquetas de tenis profesionales. Inoue en Japón ha usado el cristal metálico para construir un motor en miniatura. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos está estudiando como alternativas no tóxicas de uranio empobrecido en las puntas de proyectiles perforantes de blindaje. Liquidmetal ha firmado un contrato con Samsung para hacer partes de teléfonos móviles.-

METAL GLASS – Informe

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