PULVIMETALURGIA

 

Pulvimetalurgia, el Proceso y sus Productos La Pulvimetalurgia (Powder Metallurgy) ha sido usada desde los años 1920 para producir un amplio rango de componentes estructurales, cojinetes autolubricantes y herramientas de corte. Este curso pretende entregar un resumen acerca de los procesos Pulvimetalúrgicos y se pretende describir los cambios recientes en la tecnología de producción y las aplicaciones de la Pulvimetalurgia.

Figura 1a

La Pulvimetalurgia (PM) en el contexto de esta presentación abarca la producción de metales en la forma de polvo y la manufactura, a partir de tales polvos, de objetos útiles por el proceso conocido como sinterización (sintering). En muchos casos, piezas individuales de ingeniería ingeniería son Figura 1b producidas directamente por este proceso, las cuales son llamadas indiscriminadamente como piezas sinterizadas, componentes sinterizados o pieza pulvimetalúrgica. Sin embargo, piezas trabajadas también pueden producirse a partir de polvo y recientemente han ocurrido un número de desarrollos científicamente fascinantes de gran potencial industrial. El proceso PM involucra la compresión del polvo, normalmente en un contenedor o matriz, para producir un compacto que tenga una cohesión suficiente para permitirle ser manipulado con seguridad, y luego el calentamiento del compacto, por lo general en una atmósfera protectora, hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del constituyente principal, proceso durante el cual las partículas individuales se unen por un proceso tipo t ipo soldadura y confieren al material la fuerza suficiente para el uso destinado. Es este paso del calentamiento el cual es llamado sinterización.

 

  Aplicaciones de la Pulvimetalurgia Pulvimetalurgia

Fig. 3 Contactores eléctricos (cobre y aleaciones) aleaciones)

 

 AREA AUTOMOTRIZ

HERRAMIENTAS DE CORTE Y OTROS

Figura 4 Aplicaciones Aplicaciones de PULVIMETALURGIA

 

EL PROCESO El procedimiento básico en la manufactura de piezas PM consiste en: (1)  Mezclar el o los metales en polvo con un lubricante adecuado. (2)  Cargar la mezcla en una matriz o molde y aplicar presión. Esto da como resultado lo que se llama un sólido compacto, que sólo requiere tener la cohesión suficiente para permitirle ser manejado seguro y transferido a la etapa siguiente. Tales compactos son llamados cuerpos verdes, equivalentes a “no sinterizados”. De ahí vienen los términos densidad en verde y resistencia en verde. (3)  Calentar el compacto, usualmente en una atmósfera protectora, a una temperatura por debajo del punto de fusión del constituyente co nstituyente principal de modo que las partículas de polvo se suelden, confiriendo así la resistencia suficiente al objeto para el uso destinado. Este proceso es llamado sinterización, de aquí el término piezas sinterizadas. En ciertos casos, un constituyente minoritario se funde a la temperatura de sinterización, en cuyo caso el proceso es referido como sinterización en fase líquida. La cantidad de fase líquida debe ser limitada de modo que la pieza conserve su forma. En ciertos casos especiales se combinan las etapas 2 y 3, es decir, la compactación se hace a una temperatura elevada tal que la sinterización ocurre durante el proceso de compactación. Esto es llamado compactación en caliente o sinterización en compresión. Una variante especializada en este proceso - la producción de Compuestos Magnéticamente blandos (SMC, soft magnetic composites) - involucra un paso de calentamiento previo a la sinterización de las partículas metálicas cuyo propósito es el curado de una resina aglutinante, añadida para aislar las partículas de polvo individuales de hierro. En muchos casos la pieza sinterizada es sometida a procesamientos adicionales  – recompactación, recubrimiento, recubrimien to, Tratamientos Térmicos etc., los que serán tratados en secciones posteriores. En ciertos casos especiales, por ejemplo en la fabricación de filtros a partir de polvo esférico de bronce, no se utiliza ninguna presión. El polvo es colocado en un molde que tiene la forma final deseada en el cual es sinterizado. Este proceso es conocido como sinterización del polvo suelto (no comprimido).

 ¿POR QUÉ HACER PIEZAS A PARTIR PARTIR DE POLVO? Hay dos motivos principales principales para usar un producto pulvimetalúrgico: (1) ahorro de costos comparado con procesos alternativos, (2) atributos únicos alcanzables sólo por la ruta PM.

 

La primera de estas razones es la fuerza motriz para: Piezas Estructurales (o Mecánicas): Mecánicas) : En términos de tonelaje, este es lejos el grupo más grande. El mayor volumen consiste en piezas a base de hierro, pero se produce un tonelaje significativo de piezas de cobre, latón (brass), bronce y aluminio, así como algunos metales más raros como berilio y titanio. En general, tales piezas a menudo tienen ventaja sobre las forjadas en la exactitud dimensional, pero en un número grande de casos, la justificación principal para su empleo es la económica. Durante la década pasada, sin embargo, ocurrieron desarrollos que ahora exigen una revisión de lo anterior. Ahora es posible producir piezas sinterizadas con propiedades iguales o incluso superiores a aquellas piezas fabricadas por rutas más tradicionales. Algunos de estos desarrollos han sido en los materiales utilizados, mientras que otros han sido modificaciones al proceso de producción estándar: -  en la etapa de Compactación (por ejemplo la Compactación en Tibio, la Compactación en Frío de Alta Presión, la Compactación de Alta Velocidad), -  durante la Sinterización (p.ej.la Sinterización Activada, la Sinterización de Fase Ferrita) -  o como procesos de densificación postsinterización (por ejemplo la Forja de Polvo, Laminación Superficial en Frío). Estos desarrollos se consideran consideran más detalladamente en secciones posteriores. posteriores. Hay un número de ejemplos de la segunda razón, como la consecución de propiedades únicas o características: Materiales Porosos: Porosos: La mayoría de las formas de metal son porosas en cierta medida, los metales sinterizados lo son más que la mayoría, pero aquí nos importa la producción de partes que tienen una porosidad significativa y cuidadosamente controlada, diseñada para cumplir un propósito útil. Los productos principales en este grupo son los filtros y los cojinetes impregnados en aceite, a menudo llamados cojinetes autolubricantes. Este último es uno de los principales productos PM y es tratado en una sección posterior. Los siguientes productos no pueden producirse fácil o satisfactoriamente por procesos alternativos. Metales refractarios: refractarios: tienen muy altos puntos de fusión, tales como el tungsteno, el molibdeno, el niobio, el tantalio y el renio. Son muy difíciles de producir por fusión y moldeo y con frecuencia son muy frágiles en el estado proveniente de fundición. Un compacto de polvo sinterizado puede deformarse mecánicamente a una temperatura apropiadamente elevada. Luego desarrolla gradualmente una microestructura con una orientación preferencial que da al, ahora denso material, una ductilidad útil incluso a temperatura ambiente.

 

Materiales Compuestos:  se componen de dos o más metales que son insolubles incluso en estado líquido, o mezclas de metales con sustancias no metálicas tales como óxidos y otros materiales refractarios. Algunos ejemplos son: (a)  Material de Contacto Eléctrico (cobre/tungsteno, plata/ óxido de cadmio) (b)  Metales Duros (carburos cementados), usados para herramientas de corte y partes de desgaste (p.ej. matrices de trefilado de alambre (wire-drawing) y herramientas para la forja en caliente de metales). El carburo de tungsteno unido con cobalto fue el primero de esta clase de materiales y todavía tiene la mayor parte del mercado, pero otros carburos y, más recientemente, nitruros, carbonitruros y boruros están siendo usados en cantidades crecientes y se han desarrollado substitutos para el relativamente escaso y caro cobalto. Estos incluyen Ni, Ni-Co, Ni-Cr, superaleaciones a base de níquel y aceros complejos. (c)  Materiales de Fricción para camisas de freno y revestimientos de embrague en los cuales materiales abrasivos y otros materiales no metálicos están embebidos en una matriz de cobre u otro metal. (d)  Herramientas de corte de diamante, sobre todo ruedas de rectificar, esmeriles (grinding wheels), en las cuales pequeños diamantes están uniformemente dispersos en una matriz metálica.

Fig. 5

Ruedas para rectificar (grinding wheels), diamante/CBN (cubic boron nitride)

(e)  En los últimos años, se han desarrollado y puesto en servicio varios productos trabajados que contienen fases no metálicas Estos materiales endurecidos o ODS “oxide dispersión-strengthened” si las reforzados por dispersión (llamadosfinamente m aterialesdispersas. partículas de refuerzo son óxidos) ó xidos) son resistentes, especialmente a temperaturas elevadas superiores a las de metales fundidos o trabajados de composición básica similar. (f)  Materiales compuestos magnéticamente blandos (SMC “soft magnetic composite), que consisten en partículas de polvo de hierro aisladas entre ellas por una resina aglutinante curada. Es difícil si no imposible fabricar estos productos compuestos excepto por PM.

 

Componentes Magnéticos: Ventajas económicas y técnicas también se han encontrado en la

producción de componentes para aplicaciones aplicaciones magnéticas.

Aleaciones especiales de alta responsabilidad : Los aceros rápidos y superaleaciones de níquel y/o cobalto pueden procesarse por PM para obtener un producto con propiedades superiores a aquellas alcanzadas por fundición y forjado. En general, el polvo es compactado para obtener un tocho que es sometido luego a forja o extrusión seguida por el conformado por modos tradicionales. Las ventajas ventajas de la ruta PM son: un mayor rendimiento rendimiento del material utilizable y una microestructuraa más fina e uniforme, que confiere propiedades mecánicas mejoradas y, en el caso microestructur de herramientas de corte y piezas de desgaste, una vida más larga. El proceso PM también ha permitido el desarrollo de nuevos tipos de materiales basados en polvos que tienen estructuras microcristalinas o incluso amorfas (parecidas al vidrio), producidas por el enfriamiento a alta velocidad de gotas de metal fundido. El producto consolidado final se caracteriza por tener una alta resistencia, ductilidad y estabilidad térmica.

FABRICACIÓN DEL POLVO Hay muchas formas en las que se pueden producir metales en forma de polvo, - pulverización del metal sólido (piezas grandes puesto que el polvo también está en estado sólido) - precipitación a partir de una sal en solución - descomposición térmica de un compuesto químico - reducción de un compuesto en estado sólido, usualmente el óxido - electrodeposición electrodeposición - y la atomización de metal fundido. De éstos, los tres últimos representan la mayor producción de los polvos que se emplean en procesos industriales.

Reducción en estado sólido: sólido : Este fue durante mucho tiempo el método más ampliamente utilizado para la producción de polvo de hierro. El mineral seleccionado se tritura, se mezcla con carbón, y se pasa a través de un horno continuo donde ocurre la reacción que deja una capa de hierro esponjoso. Los tratamientos posteriores para producir el polvo consisten en la trituración, separación del material no metálico y el tamizado. Dado que no se realizan operaciones posteriores de refinación, la pureza del polvo depende de la pureza de las materias primas. Las partículas irregulares en forma de esponja son suaves y fácilmente comprimibles, y le dan a los compactos una buena resistencia en verde.

 

Los metales refractarios se producen normalmente mediante la reducción de óxidos en hidrógeno, y el mismo proceso puede ser utilizado para el cobre. Hay varias plantas productoras de polvo por la reducción de óxid o de hierro (“mil scale powder”, laminilla o cascarilla de laminación en polvo) por medio de hidrógeno o materiales carbonosos como el coque. Como una variante en un tema similar, los polvos de hierro de alta compresibilidad también se producen por descarburación de hierro de alto carbono granulado y pulverizado. Electrólisis: Al elegir las condiciones adecuadas - la composición y la resistencia del electrolito, la temperatura, la densidad de corriente, etc. - varios metales pueden ser depositados en un estado esponjoso o en polvo. Puede requerirse un extenso procesamiento adicional - lavado, secado, reducción, recocido y triturado. El cobre es el principal metal que se produce de esta manera, pero también se producen polvos de cromo y manganeso por electrólisis. Sin embargo, en estos casos se forma un depósito denso y normalmente frágil que hay que triturar para obtener el polvo. Las presiones de la legislación ambiental han restringido la producción de cobre electrolítico a las regiones donde estas restricciones son menos severas, aunque este tipo de polvo sigue siendo comercializado más ampliamente por los principales proveedores de polvo de cobre. El hierro electrolítico se produjo en un momento en una escala importante, pero ahora ha sido reemplazado en gran parte por polvos obtenidos por procedimientos menos costosos. Dos características distintivas son la alta densidad y la muy alta pureza.

Figura 6 Cobre electrolítico (50μm)  Lectura sugerida: 1.-Gokce_206_FINAL(v2)_v3. PM2010.pdf electrolisis CuZn.pdf; en apuntes respaldo 

2.-Revista de Metalurgia CENIM, marzo. 2011 vol 47 (2) 1188-1201-1-PB[1] 118 8-1201-1-PB[1] Pulvimetalurgia del Titanio.pdf “Proceso Electrowinnig” El método de obtención de polvos por vía electrolítica electrolítica aplica un potencial eléctrico para reducir el cobre presente en el electrolito al igual que en las plantas de electroobtención, pero con la diferencia que aquí se requiere producir un polvo de cobre lo más fino  posible. Para ello, se aplica un potencial eléctrico diez veces mayor que en el método de electroobtención, logrando un sobre potencial de reducción que favorece ampliamente la nucleación en vez del crecimiento de grano de cobre y de esta formar se obtiene el polvo fino de cobre. 

 

Atomización: En este proceso el metal fundido es dispersado o dividido en pequeñas gotas que

son enfriadas rápidamente antes que entren en contacto entre ellas o con otra superficie sólida. El método principal de obtención consiste en desintegrar un delgado chorro de metal fundido sometiéndolo al impacto de chorros de alta energía de gas o líquido. Aire, nitrógeno y argón son los gases usados comúnmente, y el agua es el líquido más ampliamente utilizado. Mediante la variación de varios parámetros - diseño y configuración de los chorros, presión y el volumen del fluido a atomizar, grosor del flujo de metal, etc. - es posible controlar la distribución del tamaño de las partículas en un amplio rango. La forma de las partículas es determinada en gran medida por la velocidad de solidificación y varía desde esférica, si se emplea un gas de baja capacidad calórica, a muy irregular si se usa agua. En principio, la técnica es aplicable a todos los metales que se pueden fundir y se utiliza comercialmente para la producción de hierro, cobre, acero para herramientas, aleaciones de acero, latón, bronce y metales de bajo punto de fusión, tales como el aluminio, estaño, plomo, zinc y cadmio.

Fig. 7 Secuencia de desintegración del líquido durante proceso atomización Los metales fácilmente oxidables (por ejemplo, aleaciones de cromo para cojinetes), están siendo atomizados en una escala creciente por medio de gas inerte, especialmente argón.

Procesos de Atomización

Figura 8 Proceso de Atomización con agua

 

 

Fig. 9 Equipamiento Atomización por gas

Figura 10 Proceso atomización por agua

Fig. 11 Atomización Por Gas

 

El metal debe calentarse por sobre la temperatura de fusión. Todos los diseños con gas deben permitir la recuperación de éste, mediante una presión inversa, dado el gran volumen de gas utilizado. Equipos verticales normalmente tienen ciclones separadores que permiten recuperar el gas. Además, hay varios otros procesos que están encontrando cada vez mayores aplicaciones, uno importante es la atomización centrífuga en la cual las gotas de metal fundido se disparan desde una fuente en rotación. Hay básicamente dos tipos de procesos de atomización centrífuga: centrífuga: (1) Una copa de metal fundido se gira sobre un eje vertical a una velocidad suficiente como para lanzar gotas de metal líquido, o se deja caer un chorro de metal en un disco giratorio o un cono, o (2) Una barra de metal se hace girar a alta velocidad y se va derritiendo progresivamente el extremo libre, por ejemplo con un haz de electrones o un arco de plasma. Este último proceso se llama el Proceso de Electrodo Rotatorio (REP, Rotating Electrode Process), y la barra se puede girar ya sea en un eje horizontal o vertical. Una ventaja especial de estos procesos es que pueden llevarse a cabo en una atmosfera controlada en un recipiente sellado - incluso en vacío - y por tanto se pueden producir polvos "limpios" de metales altamente reactivos. Con el proceso REP, evitar el contacto con el refractario es un potente modo de reducir el número de inclusiones no metálicas en el polvo y en los componentes fabricados a partir del polvo. La atomización de gas estrechamente acoplada (o confinada) ha sido ampliamente desarrollada en los últimos años para producir polvos finos para una amplia gama de aplicaciones, aplicaciones, incluyendo el Moldeo por Inyección de Metal (Metal Injection Moulding), discutido más adelante. En la atomización de gas estrechamente acoplada, el diseño de la boquilla de colada y cabeza de atomización se ajustan para que el impacto del flujo de metal fundido con el chorro de gas atomizador ocurra inmediatamente debajo de la salida de la boquilla, con poco o nada de altura de caída libre. Presiones Presiones normales del gas aplicado son son < 5 MPa, pero a veces veces se emplean emplean presiones de hasta 18MPa La atomización es particularmente útil para la producción de aleaciones en forma de polvo, puesto que los metales constituyentes están completamente aleados en el estado líquido (fundido). De esta manera, cada partícula de polvo tiene la misma composición química. Adicionalmente, el proceso se utiliza para producir composiciones tales como cobreplomo, sistema en el cual el plomo, aunque es soluble en estado líquido, se sale de la solución durante la solidificación. Si se fabrica una pieza de esta aleación mediante fundición, se produce una severa segregación de plomo, pero si el líquido es atomizado, el producto final es polvo de cobre que contiene una distribución muy fina y uniforme de inclusiones de plomo dentro de cada partícula de polvo.

 

Tabla 1 Producción de polvos mediante proceso atomización

Trituración/ Conminución Mecánica: materiales frágiles tales como compuestos intermetálicos,

aleaciones de hierro, hierro-cromo, hierro-silicio, etc., se pulverizan mecánicamente en molinos de bolas, y otro proceso conocido como el Proceso de Micronización (Coldstream Process) produce polvos muy finos. En este proceso el material granular, que puede ser polvo atomizado de tamaño grueso, se alimenta en una corriente de gas a presión a través de un tubo de Venturi y se enfría, de tal modo se fragiliza por la expansión adiabática del gas antes de impactar en un blanco en el que quiebran los gránulos. Procesos Químicos: Químicos: En algunos casos se utiliza la descomposición térmica de un compuesto químico, siendo un proceso destacado el carbonilo (enlace doble carbono-oxígeno) de níquel. Este Proceso Carbonilo (Carbonyl Process) fue desarrollado originalmente como un medio de refinación de níquel, metal bruto que se hace reaccionar de forma selectiva con monóxido de

 

carbono bajo presión para formar el carbonilo de níquel, que es gaseoso a la temperatura de reacción, y que se descompone al aumentar la temperatura y disminuir la presión. El mismo proceso se utiliza para el hierro, teniendo el polvo de carbonilo de hierro una aplicación a pequeña escala en los casos donde es útil su muy elevada pureza. Recientemente la demanda de polvos muy finos para el proceso de moldeo por inyección ha dado un impulso considerable al proceso de carbonilo. Típicamente, el tamaño de las partículas de polvo de carbonilo de hierro es de 1 a 5 m, pero, como en el caso del níquel, puede hacerse a la medida para adaptarse a las necesidades particulares. Otro caso de descomposición térmica es el polvo de platino, el cual se fabrica a partir de un precipitado esponjoso producido por el calentamiento de una sal - hexacloroplatinato de amonio. En el proceso de Sherritt-Gordon, el polvo de níquel se obtiene por reducción con hidrógeno de una solución de una sal de níquel bajo presión. En otros casos se utiliza la precipitación química de un metal a partir de la disolución de una sal soluble - por ejemplo, la plata, polvo que se produce mediante la adición de un agente reductor a una solución de nitrato de plata. Por supuesto, esto es el mismo proceso básico que se utiliza para producir fotografías en blanco y negro. Polvos de cobalto también se fabrican por la reducción de polvo de carbonato de cobalto, obtenido por la precipitación química con CO 2  a partir de amino-sulfato de cobalto en solución.

CARACTERIZACION DE LOS POLVOS Características de polvo: El tratamiento posterior y los resultados finales alcanzados en la pieza

sinterizada están influenciados por las características físico-químicas del polvo. Es por ello, que en producción y diseño de piezas es fundamental caracterizar, mediante diferentes técnicas a aplicar: - tamaño de partículas y la distribución del tamaño - forma o morfología de las partículas - estructura (Cristalina y metalográfica) - condición superficial (rugosidad, porosidad) - Composición química (pureza y % impurezas) - Densidad Aparente (DA) Uno de los parámetros importantes es la densidad aparente (DA) del polvo, es decir, la masa de un volumen dado, ya que esto influye fuertemente en la resistencia de los compactos obtenidos por compresión. La DA es función función de la morfología, de rugosidad rugosidad y por tanto de la fluidez de las partículas. La DA determinará el diseño de la altura y recorrido de los punzones en la mat matriz riz de compactación. Uno de los los métodos de medición medición de la DA es Medidor de de flujo de de Hall (se (se puede medir medir la velocidad de flujo y la densidad aparente)

 

  Fig. 12 Equipo Hall. Medición de Densidad Aparente Respecto de la morfología de los polvos, su forma también afecta la densidad aparente y todo lo que ello conlleva. La figura 13 muestra las diferentes diferentes morfologías de los polvos.

Fig. 13

Morfología de Polvos.

La elección de las características del polvo normalmente se basa en concesiones mutuas, ya que muchos de los factores están en oposición directa entre ellos: Un incremento en la irregularidad y la textura porosa de los granos de polvo, es decir, la disminución de la densidad aparente, aumenta la reducción de volumen que ocurre en la compresión y por lo tanto el grado de soldadura en frío que, a su vez, da una mayor resistencia en verde al compacto. Este incremento de superficies de contacto conduce también a una sinterización más eficiente. Adicionalmente, la mayor reducción en volumen necesaria para obtener la densidad en verde requerida puede necesitar una mayor presión y, en consecuencia, prensas más grandes y matrices más resistentes.

 

La facilidad y la eficiencia del apilamiento del polvo en la matriz depende en gran medida de una amplia distribución del tamaño de partículas, de modo que los huecos creados entre partículas de gran tamaño pueda llenarse progresivamente con aquellas de menor tamaño. t amaño. El tamaño fino de partículas tiende a dejar poros más pequeños, que se cierran fácilmen fácilmente te durante la sinterización. Sin embargo, un exceso de partículas finas reduce las propiedades de fluir. Un tamaño de partículas fino es, sin embargo, un requisito importante del Proceso de Moldeado por Inyección de Metal (véase más adelante). La aparición de este proceso desde la década de 1980 ha dado un impulso considerable inicialmente a la utilización de polvos de carbonilo de hierro y de níquel y, posteriormente y de forma más significativa, al polvo fino atomizado con gas producido por la atomización estrechamente acoplada. El tamaño de los polvos se mide por diferentes técnicas, siendo algunas mas precisas que otras, pero su aplicación será función del costo y disponibilidad de estos equipos.   Microscopía (Lupa estereográfica, MO, MEB, la elección depende del tamaño de partícula, cantidad de muestra)   Tamizado   Sedimentación   Técnicas por Difracción de Rx (DRX) 

  

El tamizado es una técnica industrial muy utilizada para conocer el tamaño de partícula. Una grilla cuadricular con espaciado espaciado entre cables o hilos crea la unidad tamaño de malla o MESH. Un tamaño de malla MESH se determina por el número de hilos por unidad de longitud en (pulg). El tamaño de la abertura varía inversamente proporcional con el número de malla (MESH): Nº malla grande significa significa un tamaño de abertura mínima. Ejemplo.

Malla 200

=>

200 alambres/pulg., alambres/pulg., o 127 μm entre centro de alambres.

Como el diámetro del alambre alambre es 52 μm, luego la separación remanente entre alambres es 75 μm. 

El valor mínimo de separación no puede disminuir demasiado. La técnica de tamizado es aplicable aplicable para partículas de tamaño superior a 38 μm. 

 

 

Tabla 2 Tamaño Standard de TAMIZ

TAMAÑO MALLA

SEPARACION μm

TAMAÑO MALLA

SEPARACION μm

18

1000

100

150

20

850

120

125

25

710

140

106

30

600

170

90

35

500

200

75

40

425

270

53

50

300

325

45

60

250

400

38

70

212

500

25

80

180

600

20

La pureza del polvo es crucialmente importante. Los niveles de impurezas tolerables dependen en gran medida de la naturaleza y el estado de la combinación de sustancias en cuestión. Por ejemplo, la presencia de carbono combinado en el hierro tiende a endurecer la matriz de modo que se requieren mayores presiones durante la compactación. Sin embargo, el carbono libre es a menudo una ventaja, pues actúa como un lubricante durante la operación de prensado. La mayoría de los granos de polvo de metal están cubiertos por una delgada película de óxido. En general, esto no interfiere con el proceso ya que la película de óxido se rompe durante la operación de prensado para proporcionar superficies metálicas limpias y activas que se sueldan fácilmente en frío. Su reducción final bajo la atmósfera controlada de sinterización es esencial para la unión metálica completa y una máxima resistencia. Películas de óxido estables o la inclusión de partículas de óxido, tales como SiO 2 y Al2O3, son más graves ya que estas son generalmente abrasivas y conducen a un mayor desgaste de la herramienta. Además, no pueden ser reducidas durante la sinterización posterior y su presencia puede afectar negativamente las propiedades mecánicas, especialmente la resistencia al impacto de la pieza terminada. Esto es de gran importancia cuando se requieren piezas de alta integridad y alta densidad – particularmente piezas de polvo forjadas. Al discutir la composición química de los polvos, éstos deben subdividirse en tres grupos: I.-Polvos elementales (materiales de alta pureza) El análisis químico se basa en la concentración de impurezas

 

II.-Polvos pre-mezclados (combinación de 2 o más polvos distintos cuya aleación ocurre por difusión durante durante la sinterización). sinterización). Nivel de impurezas impurezas y composición composición de la muestra. III.-Polvos pre-aleados (micro-casting o aleado mecánico de múltiples elementos) Algunas técnicas de caracterización de la composición química:   Espectrometría de absorción atómica   Difracción de rayos X  

Fluorescencia de rayos X   Fluorescencia Electrónicaa de Barrido y EDS   Microscopía Electrónic

 

COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA (METAL MATRIX COMPOSITES) Son metales que tienen una dispersión de una fase no metálica finamente dividida y se conocen desde hace muchos años. La idea es proveer el mismo fortalecimiento que se produce mediante el endurecimiento por precipitación, sin el inconveniente que la segunda fase entre en solución a medida que aumenta la temperatura, limitando así la temperatura de operación. Un primer ejemplo fue el polvo de aluminio sinterizado (SAP, Sintered Aluminium Powder), que fue hecho mediante el prensado y sinterizado de polvo de aluminio de morfología de hojuelas

(“flake”) fuertemente oxidado. El material sinterizado fue posteriormente trabajado en caliente

para romper las películas de Al2O3 y dispersarla en forma finamente dividida. Hubo algunas mejoras en las propiedades, pero no fue suficiente para hacer económico el uso a gran escala. Sin embargo, la imagen cambió dramáticamente a medida que se desarrollaron nuevos procedimientos para obtener dispersiones mucho más finas de la fase no metálica. Los compuestos de matriz metálica (MMC), como se llaman ahora tales materiales, representan un gran paso adelante en la búsqueda de mejores materiales, es decir, con mejores propiedades mecánicas especialmente a elevadas temperaturas. La Pulvimetalurgia es la vía más importante por la cual se producen tales compuestos. En la mayoría de los casos desarrollados hasta ahora, la fase de fortalecimiento es un óxido estable usualmente de otro metal, y el término ODS (“Oxide Dispersion Strengthening”) fortalecimiento fortalecimient o por dispersión de óxido - es de uso diario. Una serie de procesos diferentes están disponibles para la producción de las muy finas dispersiones que se requieren. En un proceso, se calienta una aleación de la matriz metálica con el metal que forma el óxido estable en una atmósfera que es reductora para la matriz metálica, pero oxidante para el segundo metal. Este último se convierte en un óxido uniformemente distribuido por toda la matriz. En el caso de los metales preciosos - Ag, Pt, etc. - se puede utilizar el calentamiento al aire y ahora se utilizan ampliamente un rango de materiales de contacto eléctrico consistentes en plata con una dispersión de, por ejemplo, óxido de Cd, óxido de Sn y/u óxido de In. La oxidación interna, como se llama el proceso, se produce como consecuencia de la difusión de oxígeno a través de una red de plata y con secciones largas, este es un proceso prolongado. prolongado.

 

Sin embargo, si se usa polvo, un ciclo de oxidación relativamente corto es necesario así que el prensado y sinterizado del polvo internamente oxidado es el mejor procedimiento. En este caso, el objetivo no es mejorar la resistencia sino las propiedades eléctricas, es decir, la resistencia al contacto de la soldadura. En otros casos, la matriz metálica a veces en forma de una sal se mezcla con la solución de una sal del metal con el óxido más estable y la mezcla se calienta en una atmósfera que es reductora para la matriz metálica pero oxidante para el segundo metal. Los ODS de platino y tungsteno se hacen de esta manera. Otros compuestos utilizan fibras como agente de refuerzo. Un proceso nuevo que representó un gran paso adelante en materiales para aplicaciones de muy alta temperatura, en particular las turbinas de gas para motores a reacción, fue el aleado mecánico. ALEADO MECANICO Este proceso consiste en la molienda, usualmente en molinos: Horizontales, Attritor o Planetario, de una mezcla de polvo metálico y un material refractario por largos períodos de tiempo durante los cuales las partículas refractarias se rompen y se incorporan en el metal. El polvo “aleado” es posteriormente compactado, sinterizado, y normalmente trabajado por extrusión o laminación en caliente. Superaleaciones hechas de esta manera se encuentran en servicio, y aleaciones de aluminio aleado mecánicamente también han sido desarrolladas. En el caso del aluminio, otra aleación mecánica se realiza mediante un proceso de molienda similar partiendo de una mezcla de polvo de aluminio y grafito, que, durante el proceso de molienda, m olienda, se incorpora en el metal como carburo de aluminio Al4C3. Molinos normalmente utilizados:

Figura 14 Molinos de bolas horizontal y

molino Attritor

La molienda Mecánica es una técnica de procesamiento de polvos en el estado sólido en que las fracturas y soldaduras en frío de las aleaciones o metales particulados ocurren en forma repetitiva al interior de un molino de alta energía. La Molienda Mecánica (MM) se diferencia del Aleado Mecánico (AM), en función del objetivo final que se persigue y los tiempos t iempos requeridos para ambos procesos u objetivos 

 

  MOLIENDA MECANICA (MM)

Sólo mezclado, reducción de tamaño de las partículas o dispersión de partículas duras tipo cerámicas. Los tiempos empleados son ½ tiempo requerido para aleado mecánico (AM). Variantes son Molienda criogénica empleando líquido como nitrógeno que favorece la fractura frágil, pero puede contaminar superficialmente. superficialmente. ALEADO MECANICO (AM)

El aleado mecánico busca generar una aleación (solución sólida) o la formación de un compuesto por medio de una reacción química química en el estado sólido. sólido. Este proceso permite permite extender la solubilidad en aquellos sistemas donde no existe solubilidad entre los elementos. La reacción que ocurre durante la molienda está controlada muchas veces por la atmósfera y el agente controlador incorporado (PCA). Ejm:Ti+nitrógen Ejm:Ti+nitrógeno o => TiN, W+Cg => WC VARIABLES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE ALEACIONES O MATERIALES COMPUESTOS MOLIDOS EN FUNCION DEL TIPO DE MOLINO 

                

Tipo de Molino *Tiempo de molienda * Velocidad rpm * Razón de carga: masa bolas/masa polvo * Material de bolas y contenedor * Atmósfera interior jarro. * Dispersante utilizado (PCA) * Fracción de volumen del dispersante

VELOCIDAD DE MOLIENDA Existe una velocidad crítica de giro (rpm) que favorece la reducción del tamaño de partícula.

En molinos del tipo planetario y attritor: Una velocidad de giro mayor a la crítica mantiene las bolitas a una cierta altura del contenedor contenedor y no favorece la molienda (sólo fricción entre bolas-paredes, desgaste del contenedor). Una velocidad de giro muy inferior a la crítica, reduce la energía de impacto de las bolas y no permite reducir o refinar refinar el tamaño de partícula a valores deseados, lo cual obliga incrementar el tiempo de molienda. Una alta velocidad critica de molienda; aumenta la temperatura del sistema, incrementa la contaminación y acelera algún proceso de transformación de fases metaestable deseada o no deseada. La razón de carga usada tiene influencia en la reducción del tamaño de partícula pero también en la contaminación contaminación del producto producto aleado. Agente controlador de la Molienda

Se debe incorporar un agente del tipo hidrocarburo para controlar la molienda en materiales dúctiles, como: como: Al, Cu, Mg, Fe, Ti. Ti. Este agente reduce la la soldadura entre partículas partículas y enfría enfría la mezcla. Agentes utilizados:

ALCOHOL ETILICO, ETILICO, ETHYLEN-GLYCOL, METANOL, METANOL, EN PROPORCION 3-5%VOL. 

 

  Otra clase de material sinterizado trabajado que está empezando a hacer impacto se basa en material particulado - polvo o cinta picada - que se ha solidificado y enfriado a una velocidad muy alta de tal manera que se obtiene una microestructura metaestable de no equilibrio. Puede ser microcristalina o amorfa. El proceso sólo es aplicable a ciertas aleaciones, y una característica importante es que la matriz metálica pueda retener en una solución sólida un porcentaje mucho más alto del elemento de aleación que el de equilibrio. equilibrio. Siempre que la densificación y el trabajado mecánico se lleven a cabo a una temperatura suficientemente baja como para evitar la destrucción de la estructura de no-equilibrio, se pueden obtener propiedades mecánicas notablemente mejoradas.

PRODUCCIÓN DE PIEZAS SINTERIZADAS La secuencia general de operaciones que intervienen en el proceso pulvimetalúrgico se muestra esquemáticamente en la figura. 1. Los componentes en polvo se mezclan con un lubricante hasta que se obtiene una mezcla homogénea. Luego se deposita la mezcla en una matriz donde es compactada bajo presión, siendo posteriormente sinterizado el compacto. Una excepción es el proceso de fabricación de elementos de filtro a partir de polvo de bronce de morfología esférica, donde no se utiliza ningún tipo de presión; el polvo simplemente es acomodado en un molde con la forma deseada en el cual es sinterizado. Este proceso se conoce como sinterización del polvo suelto. Mezclado: El objetivo del mezclado es proporcionar una mezcla homogénea y la incorporación Mezclado: del lubricante. Los lubricantes más populares son el ácido esteárico, estearina, estearatos metálicos, especialmente especialmente el estearato de zinc, litio y cada vez más otros compuestos orgánic orgánicos os de naturaleza cerosa. La principal función del lubricante consiste en reducir la fricción entre la masa de polvo y las superficies de las herramientas - las paredes del molde, las barras de núcleo (“core rods”, parte del molde utilizada para hacer un hoyo en el compacto, etc. - por las que el polvo debe deslizarse durante la compactación. Se facilita así el alcance de la uniformidad de la densidad deseada desde la parte superior hasta la inferior de los compactos. De igual importancia es el hecho de que la reducción de la fricción también facilita la eyección (o expulsión) de los compactos, minimizando así la tendencia a formar grietas. Se ha sugerido que una función adicional del lubricante es ayudar a que las partículas se deslicen entre ellas, pero parece dudoso si es que este factor es de mucha importancia - se pueden obtener buenos compactos sin incorporar ningún tipo de lubricante a la mezcla, por ejemplo, utilizando la lubricación de las paredes del molde o la compresión isostática. Es necesario tener cuidado en la selección de lubricante, ya que éste puede afectar negativamente tanto a la resistencia del cuerpo verde como a la del compacto sinterizado, especialmente si queda cualquier residuo después de la descomposición de la parte orgánica.

 

  Debe evitarse mezclar el polvo más de la cuenta, puesto que esto hace aumentar la densidad aparente de la mezcla. Además, mezclar más de la cuenta por lo general promueve la reducción de la resistencia en verde de los compactos posteriores, probablemente porque se recubre por completo la superficie de las partículas, reduciendo así el área de contacto metal con metal, de la cual depende la resistencia en verde. Las propiedades de flujo también se deterioran y un buen flujo es esencial para la siguiente etapa, es decir, la carga del polvo en la matriz (o molde). En el caso especial de los carburos cementados, el proceso de mezcla se lleva a cabo en un molino de bolas, siendo uno de los objetivos el recubrir las partículas individuales con el metal aglutinante (binder metal), por ejemplo con cobalto, pero como los polvos muy finos involucrados no fluyen, la mezcla se granula posteriormente para formar los aglomerados. En relación al Binder (Liga) se puede comentar: Existen partículas partículas de tamaño tamaño 0,5-15 μm que se usan para facilitar el proceso proceso de sinterización en cuanto a la etapa de densificación densificación de la sinterización sinterización Ligas, son polímeros termoplásticos termoplásticos combinados combinados con agua y una variedad de de substancias orgánicas. Las Ligas comunmente comunmente usadas son: 70% parafina sólida- cera y 30% polipropileno con lubricante adecuado.

Una liga liga debe debe fundirse fundirse completamente a 150ºC, donde donde el % de liga puede puede alcanzar hasta el 40% vol. de la mezcla. En aceros el % de liga usada es del orden del 6%. La liga debe llenar (cubrir) todos los espacios libres y el lubricante sirve para minimizar la fricción. Como lubricante; estearato o grafito (Cuando se requ requiere iere adicionar grafito) grafito) Otros tipos tipos de LIGAS a.)  Agar gel que proviene proviene de algas marinas ( seaweed). seaweed). se usa mucho mucho en procesos slip casting.hidratado de Ca (deja poros de b.)  Sulfato de 0,1 μm de tamaño aprox.)  c.)  Agua – alginatos surfactantes d.)  Surfactantes e.)  Soluciones de celulosas o polivinyl alcohol, polimeros disueltos en soluciones comunes.

Prensado (o compactación): compactación): La mezcla de polvos se compacta a la forma deseada en una matriz de acero rígido o de carburo bajo presiones de 150-900 MPa. En esta etapa, los compactos mantienen su forma en virtud de la soldadura en frío (cold-welding) de los granos de polvo dentro del volumen (o la masa) de polvo. Los compactos deben ser lo suficientemente fuertes para soportar la expulsión desde la matriz y el posterior manejo antes de la sinterización. Esta es una operación crítica en el proceso, puesto que la forma final y las propiedades mecánicas quedan determinadas esencialmente por el nivel y la uniformidad de la densidad del compacto prensado.

 

Los polvos bajo compresión no se comportan como líquidos, la presión no se transmite uniformemente y hay muy poco flujo lateral de polvo dentro de la matriz. Por lo tanto, la consecución de densidades satisfactorias depende en gran medida del diseño de la herramienta de compresión. La presión máxima de compactación permisible es controlada por la necesidad de evitar fallas de la herramienta. Para piezas de geometrías complejas de múltiples niveles, punzones delgados y frágiles en el montaje de la herramienta requerirían que las presiones estuvieran limitadas a un máximo de 600 MPa. Sin embargo, para piezas de geometrías "más gruesas" que no requieren punzones delgados, se ha encontrado que es posible utilizar presiones de 1.000 MPa o más. Esta Compactación en Frío de Alta Presión ha permitido introducir piezas de mayores densidades (y por lo tanto, un mayor rendimiento) en aplicaciones tales como engranajes de arranque, anillos sincronizadoress y lóbulos de leva. sincronizadore Diseño de Herramientas: Se debe prestar atención a los siguientes factores de diseño en vista del

limitado flujo lateral y la necesidad de expulsar el cuerpo verde en la dirección de compresión. compresión. (1) Razón longitud a ancho. La presión aplicada y por ende, la densidad disminuye a través de la longitud del compacto. La compactación por dos extremos “double-ended” (arriba y abajo) ayuda a emparejar la distribución de presiones, pero aún deja una región de menor densidad en la sección central de la pieza. Razones de longitud a ancho superiores a 3:1 no son recomendables. (2) Ranuras de reentrada. Conos inversos y agujeros laterales no pueden moldearse en compactos de polvo debido a que su expulsión es imposible. Por lo tanto, esas secciones deben ser mecanizadas posteriormente, a pesar que se han diseñado y patentado conjuntos elaborados, a veces moldes flexibles, para superar esta limitación. (3) Los biseles requieren herramientas afiladas, que son frágiles y se fracturan con facilidad, así que si el diseño lo permite, el borde biselado del componente debe terminar en un pequeño plano. (4) Se debe evitar los cambios abruptos de sección ya que introducen elevadores de esfuerzo, que pueden conducir a la formación de grietas como consecuencia de las tensiones inducidas por la expansión-contracción expansión-contrac ción elástica que ocurre mientras el compacto es expulsado de la matriz. (5) En una primera aproximación el tamaño de la pieza que se puede fabricar es una función directa de la capacidad de la prensa disponible, pero la complejidad de la pieza y el número de movimientos de punzado necesarios también influyen en la ecuación. Estos mismos factores son relevantes también en la velocidad de producción: mientras más simple es la pieza más fácil es comprimirla a mayor velocidad. Con tales piezas se han alcanzado velocidades tan altas como 1 pieza por segundo utilizando prensas mecánicas. Las prensas hidráulicas permiten usar mayores presiones - hasta 5.000 toneladas - pero las velocidades son necesariamente mucho menores, siendo 10 piezas por minuto una velocidad representativa bastante alta en piezas de geometría relativamente sencilla. Ya se ha indicado que, debido a las fuerzas de fricción creadas entre los granos de polvo y las paredes de la matriz, hay una reducción progresiva de la presión transmitida y por lo tanto, de la densidad alcanzada a través de la longitud de la pieza. Será obvio que la importancia de este

 

factor aumenta a medida que aumenta el tamaño de los compactos, y es uno de los factores que limitan el tamaño de las piezas sinterizadas que pueden producirse económicamente. económicamente. Estos efectos se minimizan mediante el mejoramiento de la lubricación y mediante la compactación por dos extremos, y muchas máquinas incorporan movimientos de punzado múltiple que operan desde arriba y abajo de la matriz. Los mismos resultados generales pueden obtenerse con prensas de punzado simple usando un montaje de matriz flotante. Es posible continuar con el movimiento descendente de la matriz después de la compactación, con tal de retirar la matriz del compacto en lugar de eyectar el compacto con un movimiento hacia arriba del punzón inferior. La dependencia entre la densidad en verde y la presión de compactación sigue una relación hiperbólica y por ende, existe una presión práctica óptima por encima de la cual una densificación adicional es insignificante y el desgaste de la herramienta se vuelve severo. Otra característica que limita la densidad que se puede lograr es la presencia del lubricante. Aunque se agrega normalmente en cantidades no mayores a un 1% en peso, el volumen puede ser de un 5% o más, de modo que incluso si no hay espacios vacíos en el compacto, la densidad no podría exceder del 95%. Este problema se supera mediante el uso de la lubricación de las paredes de la matriz, compactando mezclas de polvo sin lubricante. Pero hasta ahora las dificultades prácticas de aplicar el lubricante, el cual debe renovarse antes de cada llenado de la matriz, ha limitado el uso de este proceso a algunos casos especiales donde se necesita una alta densidad. Herramientas: Las partes básicas de un conjunto de herramientas son la matriz, en la que se

introduce el polvo, y los punzones, que se utilizan para aplicar la presión de compactación. Si, como suele ser el caso, la pieza tiene agujeros que la atraviesan, estos se moldean mediante barras de núcleo (core rods) ubicadas en la matriz antes de la introducción del polvo. Punzones múltiples actuando de forma independiente se utilizan si el componente que está siendo compactado tiene diferentes niveles. La matriz y las barras de núcleo forman el contorno del compacto paralelo a la dirección de compresión, y debe, por supuesto, estar libre de resaltos salientes y entrantes perpendiculares a la dirección de compresión, de lo contrario sería imposible expulsar el compacto de la matriz. Los materiales utilizados son aceros de herramienta endurecidos o metales duros (carburos cementados). El uso de carburos más caros está aumentando debido a la mayor duración que ofrecen, y debido al creciente costo de los cambios de herramienta, tanto en pérdidas de producción como en los costos en mano de obra. Los aceros rápidos PM están encontrando cada vez mayor aplicación en este campo. Por supuesto que para partidas cortas las matrices de acero ordinario pueden ser más económicas. La importancia de la precisión dimensional y un acabado superficial de alta calidad apenas necesita ser enfatizado, teniendo en cuenta que una de las principales características que  justifican el uso de piezas sinterizadas es la capacidad de producirlas con precisión en cuanto a tamaño y con un acabado superficial que elimine la necesidad de operaciones de mecanizado posteriores.

 

  La vida de la matriz es otro aspecto importante, y aquí es imposible dar más de una indicación. La vida no sólo depende de qué material está siendo prensado y a qué densidad, de qué lubricación se dispone y el grado de desgaste de matriz que se puede tolerar, sino también de la habilidad del manipulador de la herramienta y la complejidad de las herramientas. Con matrices de acero se pueden fabricar hasta cerca de 200.000 compactos, con matrices de carburo es posible obtener 1.000.000 de piezas o más. Compactación en Tibio: Es una variante en el proceso de compactación que implica el pre-

calentamiento tanto de la materia prima en polvo como de las herramientas de compactación a alrededor de 130°C. Esto permite que la densidad en verde aumente de 0,1 a 0,3 g/cm 3, en comparación con la compactación en frío convencional, dando como resultado mejoras en las propiedades mecánicas en un 10-20%. Varios sistemas de calefacción para el polvo y las herramientas han sido desarrollados y son ofrecidos por un número de proveedores de prensas, a menudo para ser incorporados a las prensas existentes. Varios cientos de aplicaciones de componentes ya están en producción. Muchos de estos son diversos tipos de engranajes helicoidales para herramientas eléctricas de mano, pero las aplicaciones automotrices incluyen ruedas dentadas, anillos sincronizadores y distintos ejes. Compactación en Caliente (sinterización a presión): Si bien la mayor parte de las piezas

sinterizadas se fabrica compactando la mezcla de polvos a temperatura ambiente seguido por la sinterización, en ciertos casos se utiliza la compactación en caliente. A temperaturas elevadas los metales son más suaves y por lo tanto, normalmente es posible prensar hasta una densidad mucho mayor, sin aumentar la presión requerida. Se puede prescindir de una operación de sinterización por separado, pero esto no es general porque el prensado en caliente sólo se justifica por las propiedades significativamente mejores obtenidas y una etapa de sinterización posterior casi siempre mejora las propiedades. El uso del proceso está limitado por su costo mucho mayor: se requieren matrices especiales resistentes al calor, una atmósfera controlada puede ser necesaria y las velocidades de producción son, relativamente muy lentas; pero se utiliza para la producción de herramientas de corte de metal duro y diamante, las cuales son, en todo caso, materiales costosos.

Fig. 15 Compactación Compactación Unidireccional en Caliente

 

 

Fig. 16 Proceso Compactación Isostática en caliente “HIP” 

Fig. 17 Ciclo calentamiento calentamiento en Compactación IIsostática sostática en caliente “HIP” 

Figura 18 Extrusión en caliente

Fig. 19 Sinterización y Laminación de de polvo

 

APLICACIONES INTERESANTES