Pulvimetalurgia ( PM ) es un término que cubre una amplia gama de formas en las que los materiales o componentes se fabrican a partir de polvos metálicos . Los procesos de PM pueden evitar, o reducir en gran medida, la necesidad de utilizar procesos de remoción de metal , lo que reduce drásticamente las pérdidas de rendimiento en la fabricación y, a menudo, resulta en costos más bajos.
La pulvimetalurgia también se utiliza para hacer que los materiales únicos sean imposibles de obtener por fusión o formación de otras formas. Un producto muy importante de este tipo es el carburo de tungsteno (WC). El WC se utiliza para cortar y formar otros metales y está hecho de partículas de WC unidas con cobalto. Es muy utilizado en la industria para herramientas de muchos tipos y, a nivel mundial, PM produce ~ 50.000 toneladas / año (t / año). Otros productos incluyen filtros sinterizados , cojinetes porosos impregnados de aceite, contactos eléctricos y herramientas de diamante.
Desde el advenimiento de la fabricación aditiva (AM) basada en polvo metálico a escala de producción industrial en la década de 2010, la sinterización selectiva por láser y otros procesos de AM de metal son una nueva categoría de aplicaciones de pulvimetalurgia comercialmente importantes.
Descripción general
El proceso de prensado y sinterizado de pulvimetalurgia generalmente consta de tres pasos básicos: mezcla de polvos (pulverización), compactación de matrices y sinterización. La compactación se realiza generalmente a temperatura ambiente, y el proceso de sinterización a temperatura elevada se realiza normalmente a presión atmosférica y bajo una composición de atmósfera cuidadosamente controlada. A menudo sigue un procesamiento secundario opcional, como el acuñado o el tratamiento térmico, para obtener propiedades especiales o una mayor precisión. [1]
Uno de los métodos más antiguos, y todavía uno que se usa para producir alrededor de 1 Mt / a de componentes estructurales de aleaciones a base de hierro, es el proceso de mezclar polvos finos (<180 micrones) de metal (normalmente hierro) con aditivos como un lubricante. cera, carbono , cobre y / o níquel , presionándolos en una matriz de la forma deseada y luego calentando el material comprimido ("parte verde") en una atmósfera controlada para unir el material por sinterización. Esto produce piezas precisas, normalmente muy cercanas a las dimensiones de la matriz, pero con una porosidad del 5 al 15% y, por lo tanto, propiedades de acero subforjado. Hay varios otros procesos de MP que se han desarrollado durante los últimos cincuenta años. Éstas incluyen:
- Forjado en polvo: una "preforma" fabricada mediante el método convencional de "prensado y sinterizado" se calienta y luego se forja en caliente a la densidad completa, lo que da como resultado propiedades prácticamente tal como se forja.
- Prensado isostático en caliente (HIP): Aquí el polvo (normalmente atomizado por gas, de tipo esférico) se llena en un molde, que normalmente consiste en una "lata" metálica de forma adecuada. La lata se hace vibrar, luego se evacua y se sella. Luego se coloca en una prensa isostática caliente, donde se calienta a una temperatura homóloga de alrededor de 0,7 y se somete a una presión de gas externa de ~ 100 MPa (1000 bar, 15.000 psi) durante varias horas. [2] Esto da como resultado una pieza moldeada de densidad completa con propiedades como labrada o mejores. HIP se inventó en la década de 1950-60 y entró en producción en tonelaje en la década de 1970-80. [ cita requerida ] En 2015, se utilizó para producir ~ 25.000 t / a de aceros inoxidables y para herramientas, así como partes importantes de superaleaciones para motores a reacción. [ cita requerida ]
- Moldeo por inyección de metal (MIM): aquí el polvo, normalmente muy fino (<25 micrones) y esférico, se mezcla con un aglutinante de plástico o cera hasta cerca de la carga sólida máxima, típicamente alrededor del 65% en volumen, y se moldea por inyección para formar un "verde" parte de geometría compleja. A continuación, esta parte se calienta o se trata de otro modo para eliminar el aglutinante (desunión) y dar una parte "marrón". A continuación, esta pieza se sinteriza y se encoge en ~ 18% para dar una pieza terminada compleja y densa en un 95-99% (rugosidad de la superficie ~ 3 micrones). [3] Inventado en la década de 1970, la producción ha aumentado desde 2000 con un volumen global estimado en 2014 de 12.000 t por valor de 1265 millones de euros. [4]
- Las tecnologías de sinterización asistida por corriente eléctrica (ECAS) se basan en corrientes eléctricas para densificar los polvos, con la ventaja de reducir drásticamente el tiempo de producción (de 15 minutos del ECAS más lento a unos pocos microsegundos del más rápido), sin requerir un calor de horno prolongado y permitiendo cerca densidades teóricas pero con el inconveniente de formas simples. Los polvos empleados en ECAS pueden evitar aglutinantes gracias a la posibilidad de sinterización directa, sin necesidad de preprensado y un compacto verde. Los moldes están diseñados para la forma de la pieza final, ya que los polvos se densifican mientras se llena la cavidad bajo una presión aplicada, evitando así el problema de las variaciones de forma causadas por la sinterización no isotrópica y las distorsiones causadas por la gravedad a altas temperaturas. La más común de estas tecnologías es el prensado en caliente , que se ha utilizado para la producción de herramientas de diamante empleadas en la industria de la construcción. La sinterización por plasma de chispa y la forja por sinterización electrónica son dos tecnologías ECAS comerciales modernas e industriales.
- La fabricación aditiva (AM) es una familia de técnicas relativamente novedosa que utiliza polvos metálicos (entre otros materiales, como los plásticos) para fabricar piezas mediante sinterización o fusión por láser. Este es un proceso en rápido desarrollo a partir de 2015[actualizar], y si clasificarlo como un proceso de PM tal vez sea incierto en esta etapa. Los procesos incluyen impresión 3D , sinterización selectiva por láser (SLS), fusión selectiva por láser (SLM) y fusión por haz de electrones (EBM).
Historia y capacidades
La historia de la pulvimetalurgia y el arte de la sinterización de metales y cerámica están íntimamente relacionados entre sí. La sinterización implica la producción de una pieza de cerámica o metal sólido duro a partir de un polvo de partida. Los antiguos incas fabricaban joyas y otros artefactos a partir de polvos de metales preciosos, aunque la fabricación masiva de productos de PM no comenzó hasta mediados o finales del siglo XIX. [5] En estas primeras operaciones de fabricación, el hierro se extraía a mano de una esponja metálica después de la reducción y luego se reintroducía como polvo para la fusión o sinterización final.
Se puede obtener una gama mucho más amplia de productos a partir de procesos en polvo que a partir de la aleación directa de materiales fundidos. En las operaciones de fusión, la " regla de las fases " se aplica a todos los elementos puros y combinados y dicta estrictamente la distribución de las fases líquidas y sólidas que pueden existir para composiciones específicas. Además, para la aleación se requiere la fusión de todo el cuerpo de los materiales de partida, lo que impone restricciones químicas, térmicas y de contención no deseadas en la fabricación. Desafortunadamente, la manipulación de polvos de aluminio / hierro plantea problemas importantes. [6] Otras sustancias especialmente reactivas con el oxígeno atmosférico, como el titanio , son sinterizables en atmósferas especiales o con revestimientos temporales. [7]
En pulvimetalurgia [8] o cerámica es posible fabricar componentes que de otro modo se descompondrían o desintegrarían. Todas las consideraciones de los cambios de fase sólido-líquido pueden ignorarse, por lo que los procesos en polvo son más flexibles que las técnicas de fundición , extrusión o forja . Las características controlables de los productos preparados utilizando diversas tecnologías de polvo incluyen propiedades mecánicas, magnéticas [9] y otras propiedades no convencionales de materiales tales como sólidos porosos, agregados y compuestos intermetálicos. Las características competitivas del proceso de fabricación (por ejemplo, desgaste de la herramienta, complejidad u opciones del proveedor) también pueden controlarse de cerca.
Técnicas de producción de polvo
Se puede atomizar cualquier material fusible. Se han desarrollado varias técnicas que permiten grandes tasas de producción de partículas en polvo, a menudo con un control considerable sobre los rangos de tamaño de la población final de granos. Los polvos se pueden preparar mediante trituración, trituración, reacciones químicas o deposición electrolítica. Los polvos más utilizados son los materiales a base de cobre y a base de hierro. [10]
Se han producido polvos de los elementos titanio, vanadio, torio, niobio, tantalio, calcio y uranio por reducción a alta temperatura de los correspondientes nitruros y carburos . Los polvos submicrométricos de hierro, níquel, uranio y berilio se obtienen reduciendo los oxalatos y formiatos metálicos . También se han preparado partículas extremadamente finas dirigiendo una corriente de metal fundido a través de un chorro de plasma de alta temperatura o una llama , atomizando el material. Se adoptan varios procesos de pulverización asociados a la llama y químicos en parte para evitar la degradación grave de las superficies de las partículas por el oxígeno atmosférico.
En términos de tonelaje, la producción de polvos de hierro para la producción de piezas estructurales de PM eclipsa la producción de todos los polvos de metales no ferrosos combinados. Prácticamente todos los polvos de hierro se producen mediante uno de dos procesos: el proceso de esponja de hierro o la atomización con agua.
Proceso de esponja
El más antiguo de estos procesos es el proceso de esponja de hierro, el principal ejemplo de una familia de procesos que implican la reducción en estado sólido de un óxido. En el proceso, el mineral de magnetita (Fe 3 O 4 ) seleccionado se mezcla con coque y cal y se coloca en una retorta de carburo de silicio. La retorta llena se calienta luego en un horno, donde el proceso de reducción deja una "torta" de hierro y una escoria. En los pasos siguientes, la retorta se vacía, la esponja de hierro reducido se separa de la escoria y se tritura y se recuece.
El polvo resultante tiene una forma de partícula muy irregular, lo que garantiza una buena "resistencia en verde" para que los compactos prensados en matriz se puedan manipular fácilmente antes de la sinterización, y cada partícula contiene poros internos (de ahí el término "esponja") para que el buen verde la resistencia está disponible a niveles de densidad compactados bajos.
El hierro esponjoso proporciona la materia prima para todos los cojinetes autolubricantes a base de hierro y todavía representa alrededor del 30% del uso de polvo de hierro en las piezas estructurales de PM.
Atomización
La atomización se logra forzando una corriente de metal fundido a través de un orificio a presiones moderadas. Se introduce un gas en la corriente de metal justo antes de que salga de la boquilla, lo que crea turbulencias a medida que el gas arrastrado se expande (debido al calentamiento) y sale a un gran volumen de recolección al exterior del orificio. El volumen de recogida se llena con gas para promover una mayor turbulencia del chorro de metal fundido. Las corrientes de aire y polvo se segregan mediante separación ciclónica o por gravedad . La mayoría de los polvos atomizados están recocidos, lo que ayuda a reducir el contenido de óxido y carbono. Las partículas atomizadas con agua son más pequeñas, más limpias y no porosas y tienen una mayor amplitud de tamaño, lo que permite una mejor compactación. Las partículas producidas mediante este método son normalmente de forma esférica o de pera. Por lo general, también llevan una capa de óxido sobre ellos.
Hay tres tipos de atomización:
- Atomización líquida
- Atomización de gas
- Atomización centrífuga
Se encuentran disponibles técnicas de atomización simples en las que el metal líquido es forzado a través de un orificio a una velocidad suficientemente alta para asegurar un flujo turbulento. El índice de rendimiento habitual utilizado es el número de Reynolds R = fvd / n, donde f = densidad del fluido, v = velocidad de la corriente de salida, d = diámetro de la abertura yn = viscosidad absoluta. A baja R, el chorro de líquido oscila, pero a velocidades más altas, la corriente se vuelve turbulenta y se rompe en gotitas. La energía de bombeo se aplica a la formación de gotas con una eficiencia muy baja (del orden del 1%) y el control sobre la distribución del tamaño de las partículas metálicas producidas es bastante pobre. Otras técnicas como la vibración de la boquilla, la asimetría de la boquilla, múltiples corrientes que inciden o la inyección de metal fundido en el gas ambiental están disponibles para aumentar la eficiencia de atomización, producir granos más finos y reducir la distribución del tamaño de partícula. Desafortunadamente, es difícil expulsar metales a través de orificios de menos de unos pocos milímetros de diámetro, lo que en la práctica limita el tamaño mínimo de los granos de polvo a aproximadamente 10 µm. La atomización también produce un amplio espectro de tamaños de partículas, lo que requiere una clasificación posterior mediante el cribado y la refundición de una fracción significativa del límite del grano.
Desintegración centrífuga
La desintegración centrífuga de partículas fundidas ofrece una forma de solucionar estos problemas. Se dispone de una amplia experiencia con hierro, acero y aluminio. El metal que se va a pulverizar se forma en una varilla que se introduce en una cámara a través de un eje que gira rápidamente. Frente a la punta del husillo hay un electrodo a partir del cual se establece un arco que calienta la varilla de metal. A medida que el material de la punta se fusiona, la rápida rotación de la varilla arroja pequeñas gotas de fusión que se solidifican antes de golpear las paredes de la cámara. Un gas circulante barre las partículas de la cámara. Se podrían emplear técnicas similares en el espacio o en la Luna. La pared de la cámara podría girarse para forzar nuevos polvos en recipientes de recolección remota, [11] y el electrodo podría reemplazarse por un espejo solar enfocado en el extremo de la varilla.
Un enfoque alternativo capaz de producir una distribución muy estrecha de tamaños de grano pero con un rendimiento bajo consiste en un cuenco que gira rápidamente y se calienta muy por encima del punto de fusión del material que se va a pulverizar. El metal líquido, introducido en la superficie de la cubeta cerca del centro a velocidades de flujo ajustadas para permitir que una película delgada de metal se deslice uniformemente por las paredes y sobre el borde, se rompe en gotas, cada una aproximadamente del grosor de la película. [12]
Otras tecnicas
Otra técnica de producción de polvo implica un chorro fino de metal líquido entrecruzado por corrientes de agua atomizada a alta velocidad que rompen el chorro en gotas y enfrían el polvo antes de que llegue al fondo del recipiente. En operaciones posteriores, se seca el polvo. A esto se le llama atomización de agua. La ventaja de la atomización con agua es que el metal se solidifica más rápido que mediante la atomización con gas, ya que la capacidad calorífica del agua es en algunas magnitudes superior a la de los gases. Dado que la velocidad de solidificación es inversamente proporcional al tamaño de partícula, se pueden producir partículas más pequeñas mediante atomización con agua. Cuanto más pequeñas sean las partículas, más homogénea será la microestructura. Tenga en cuenta que las partículas tendrán una forma más irregular y la distribución del tamaño de partículas será más amplia. Además, puede producirse cierta contaminación de la superficie por formación de piel por oxidación. El polvo se puede reducir mediante algún tipo de tratamiento de preconsolidación, como el recocido utilizado para la fabricación de herramientas cerámicas.
Compactación de polvo
La compactación de polvo es el proceso de compactar polvo metálico en una matriz mediante la aplicación de altas presiones. Normalmente, las herramientas se mantienen en orientación vertical con la herramienta de perforación formando la parte inferior de la cavidad. Luego, el polvo se compacta en una forma y luego se expulsa de la cavidad del troquel. [13] En varias de estas aplicaciones, las piezas pueden requerir muy poco trabajo adicional para su uso previsto; lo que hace que la fabricación sea muy rentable.
La densidad del polvo compactado aumenta con la cantidad de presión aplicada. Las presiones típicas varían de 80 psi a 1000 psi (0.5 MPa a 7 MPa), se han obtenido presiones de 1000 psi a 1,000,000 psi. Las presiones de 10 t / in² a 50 t / in² (150 MPa a 700 MPa) se utilizan comúnmente para la compactación de polvo metálico. Para lograr la misma relación de compresión en un componente con más de un nivel o altura, es necesario trabajar con múltiples punzones inferiores. Una pieza de trabajo cilíndrica se fabrica con herramientas de un solo nivel. Se puede hacer una forma más compleja con las herramientas comunes de niveles múltiples.
Son habituales velocidades de producción de 15 a 30 piezas por minuto.
Hay cuatro clases principales de estilos de herramientas: compactación de acción simple, utilizada para componentes delgados y planos; doble acción opuesta con dos movimientos de punzón, que acomoda componentes más gruesos; doble acción con matriz flotante; y muere la abstinencia de doble acción. Las clases de acción doble dan una distribución de densidad mucho mejor que la acción simple. Las herramientas deben diseñarse de modo que resistan la presión extrema sin deformarse ni doblarse. Las herramientas deben estar hechas de materiales pulidos y resistentes al desgaste.
Se pueden obtener mejores materiales de la pieza de trabajo reprimiendo y re-sinterizando.
Morir presionando
La tecnología dominante para la formación de productos a partir de materiales en polvo, tanto en términos de cantidades de tonelaje como de número de piezas producidas, es el prensado. Hay prensas mecánicas, servoeléctricas e hidráulicas disponibles en el mercado, en las que el mayor rendimiento de polvo se procesa mediante prensas hidráulicas. Esta tecnología de conformado implica un ciclo de producción que comprende:
- Llenado de una cavidad de matriz con un volumen conocido de materia prima en polvo, entregado desde una zapata de llenado.
- Compactación del polvo dentro de la matriz con punzones para formar el compacto. Generalmente, la presión de compactación se aplica a través de punzones desde ambos extremos del conjunto de herramientas para reducir el nivel de gradiente de densidad dentro del compacto.
- Expulsión del compacto de la matriz, utilizando el o los punzones inferiores extraídos de la matriz.
- Extracción del compacto de la cara superior del troquel utilizando la zapata de llenado en la etapa de llenado del siguiente ciclo, o un sistema de automatización o robot.
Este ciclo ofrece un proceso de alta velocidad de producción y fácilmente automatizado.
Consideraciones de diseño
Probablemente, la consideración más básica es poder quitar la pieza del troquel después de presionarla, además de evitar las esquinas afiladas en el diseño. Se recomienda mantener el área de superficie máxima por debajo de 20 pulgadas cuadradas (0.013 m 2 ) y la relación altura-diámetro por debajo de 7 a 1. Además de tener paredes de más de 0,08 pulgadas (2,0 mm) y mantener las relaciones de espesor de las paredes adyacentes por debajo de 2,5 a 1.
Una de las principales ventajas de este proceso es su capacidad para producir geometrías complejas. Las piezas con cortes y roscas requieren una operación de mecanizado secundaria. Los tamaños típicos de las piezas oscilan entre 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 cm 2 ) y 20 pulgadas cuadradas (130 cm 2 ). de área y de 0,1 a 4 pulgadas (0,25 a 10,16 cm) de longitud. Sin embargo, es posible producir piezas de menos de 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 cm 2 ) y más grandes de 25 pulgadas cuadradas (160 cm 2 ). de área y desde una fracción de pulgada (2,54 cm) hasta aproximadamente 8 pulgadas (20 cm) de longitud.
Prensado isostático
En algunas operaciones de prensado, como el prensado isostático en caliente (HIP), la formación compacta y la sinterización se producen simultáneamente. Este procedimiento, junto con las técnicas de compresión impulsadas por explosiones, se utiliza ampliamente en la producción de piezas de alta temperatura y alta resistencia, como discos de turbina para motores a reacción. En la mayoría de las aplicaciones de la pulvimetalurgia [14], el compacto se prensa en caliente, se calienta a una temperatura por encima de la cual los materiales no pueden permanecer endurecidos. El prensado en caliente reduce las presiones necesarias para reducir la porosidad y acelera los procesos de soldadura y deformación del grano. También permite un mejor control dimensional del producto, reduce la sensibilidad a las características físicas de los materiales de partida y permite que el polvo se comprima a densidades más altas que con el prensado en frío, lo que da como resultado una mayor resistencia. Los aspectos negativos del prensado en caliente incluyen una vida útil más corta, un rendimiento más lento debido al calentamiento del polvo y la necesidad frecuente de atmósferas protectoras durante las etapas de conformado y enfriamiento.
Compactación de polvo isostático
La compactación de polvo isostático es un proceso de modelado que conserva la masa. Las partículas finas de metal se colocan en un molde flexible y luego se aplica una alta presión de fluido al molde, en contraste con la presión directa aplicada por las caras de la matriz de un proceso de prensado de matriz. A continuación, el artículo resultante se sinteriza en un horno que aumenta la resistencia de la pieza uniendo las partículas metálicas. Este proceso de fabricación produce muy poca chatarra y se puede utilizar para hacer muchas formas diferentes. Las tolerancias que puede alcanzar este proceso son muy precisas, que van desde +/- 0,008 pulgadas (0,2 mm) para dimensiones axiales y +/- 0,020 pulgadas (0,5 mm) para dimensiones radiales. Este es el tipo más eficiente de compactación de polvo (las siguientes subcategorías también son de esta referencia). [13] Esta operación generalmente solo es aplicable en pequeñas cantidades de producción, aunque el costo de un molde es mucho menor que el de las matrices de prensado, generalmente no es reutilizable y el tiempo de producción es mucho más largo. [15]
Las presiones de compactación varían de 15.000 psi (100.000 kPa ) a 40.000 psi (280.000 kPa) para la mayoría de los metales y de aproximadamente 2.000 psi (14.000 kPa) a 10.000 psi (69.000 kPa) para los no metales. La densidad de las piezas compactadas isostáticas es de un 5% a un 10% más alta que con otros procesos de pulvimetalurgia.
Equipo
Hay muchos tipos de equipos utilizados en la compactación de polvo isostático. Está el molde que contiene la pieza, que es flexible, un molde de presión exterior flexible que contiene y sella el molde, y la máquina que entrega la presión. También hay dispositivos para controlar la cantidad de presión y durante cuánto tiempo se mantiene la presión. Las máquinas necesitan aplicar presiones de 15.000 a 40.000 libras por pulgada cuadrada (100 a 280 MPa) para metales.
Posibilidades geométricas
Los tamaños típicos de las piezas de trabajo varían de 0,25 pulg. (6,35 mm) a 0,75 pulg. (19,05 mm) de espesor y 0,5 pulg. (12,70 mm) a 10 pulg. (254 mm) de largo. Es posible compactar piezas de trabajo que tengan un grosor de entre 0,0625 pulg. (1,59 mm) y 5 pulg. (127 mm) y de 0,0625 pulg. (1,59 mm) a 40 pulg. (1,016 mm) de largo.
Estilo de herramienta
Las herramientas isostáticas están disponibles en tres estilos, molde libre (bolsa húmeda), molde grueso (bolsa húmeda) y molde fijo (bolsa seca). El estilo de molde libre es el estilo tradicional de compactación isostática y generalmente no se usa para trabajos de alta producción. En las herramientas de molde libre, el molde se retira y se llena fuera del recipiente. La bolsa húmeda es el lugar donde se ubica el molde en el recipiente, pero se llena por fuera. En las herramientas de moldes fijos, el molde está contenido dentro del recipiente, lo que facilita la automatización del proceso.
Prensado isostático en caliente
El prensado isostático en caliente (HIP) comprime y sinteriza la pieza simultáneamente mediante la aplicación de calor en un rango de 900 ° F (480 ° C) a 2250 ° F (1230 ° C). El gas argón es el gas más utilizado en HIP porque es un gas inerte, por lo que evita reacciones químicas durante la operación.
Prensado isostático en frío
El prensado isostático en frío (CIP) utiliza un fluido como medio para aplicar presión al molde a temperatura ambiente. Después de la extracción, la pieza aún debe sinterizarse. Es útil para distribuir la presión de manera uniforme sobre el material de compactación contenido en una bolsa de goma.
Consideraciones de diseño
Las ventajas sobre la compactación de polvo estándar son la posibilidad de paredes más delgadas y piezas de trabajo más grandes. La relación altura-diámetro no tiene limitación. No existen limitaciones específicas en las variaciones de espesor de la pared, socavados , relieves, roscas y orificios transversales. No se necesitan lubricantes para la compactación isostática del polvo. El grosor mínimo de la pared es de 0,05 pulgadas (1,27 mm) y el producto puede tener un peso de entre 40 y 300 libras (18 y 136 kg). Hay 25 a 45% de contracción del polvo después de la compactación.
Sinterización
Después de la compactación, los materiales en polvo se calientan en una atmósfera controlada en un proceso conocido como sinterización. Durante este proceso, las superficies de las partículas se unen y se logran las propiedades deseables. [2]
La sinterización de metales en polvo es un proceso en el que las partículas bajo presión se unen químicamente a sí mismas para formar una forma coherente cuando se exponen a una temperatura alta. La temperatura a la que se sinterizan las partículas suele estar por debajo del punto de fusión del componente principal del polvo. [16] Si la temperatura está por encima del punto de fusión de un componente en la pieza de metal en polvo, el líquido de las partículas fundidas llena los poros. Este tipo de sinterización se conoce como sinterización en estado líquido. [2] Un desafío importante con la sinterización en general es conocer el efecto del proceso en las dimensiones de las partículas compactas. Esto es especialmente difícil para fines de herramientas en las que se pueden necesitar dimensiones específicas. Es más común que la pieza sinterizada se contraiga y se vuelva más densa, pero también puede expandirse o no experimentar cambios netos. [dieciséis]
La principal fuerza impulsora para la sinterización en estado sólido es un exceso de energía libre de superficie. El proceso de sinterización en estado sólido es complejo y depende del material y las condiciones del horno (temperatura y gas). Hay seis etapas principales en las que se pueden agrupar los procesos de sinterización, que pueden superponerse entre sí: 1) unión inicial entre partículas, 2) crecimiento del cuello, 3) cierre del canal de los poros, 4) redondeo de los poros, 5) densificación o contracción de los poros, y 6) engrosamiento de los poros. Los principales mecanismos presentes en estas etapas son la evaporación , la condensación , los límites de grano , la difusión de volumen y la deformación plástica . [dieciséis]
La mayoría de los hornos de sinterización contienen tres zonas con tres propiedades diferentes que ayudan a realizar los seis pasos anteriores. La primera zona, comúnmente denominada etapa de combustión o purga, está diseñada para quemar aire, quemar cualquier contaminante como lubricante o aglutinantes y elevar lentamente la temperatura de los materiales compactos. Si la temperatura de las piezas compactas se eleva demasiado rápido, el aire en los poros estará a una presión interna muy alta que podría provocar la expansión o fractura de la pieza. La segunda zona, conocida como etapa de alta temperatura, se utiliza para producir difusión de estado sólido y unión de partículas. El material busca disminuir su energía superficial y lo hace moviéndose hacia los puntos de contacto entre las partículas. Los puntos de contacto se hacen más grandes y eventualmente se crea una masa sólida con poros pequeños. La tercera zona, también llamada período de enfriamiento, se utiliza para enfriar las piezas mientras aún se encuentran en una atmósfera controlada. Esta es una zona importante ya que evita la oxidación por contacto inmediato con el aire o un fenómeno conocido como enfriamiento rápido. Las tres etapas deben llevarse a cabo en una atmósfera controlada que no contenga oxígeno. El hidrógeno, el nitrógeno, el amoníaco disociado y los hidrocarburos craqueados son gases comunes que se bombean a las zonas del horno y proporcionan una atmósfera reductora que previene la formación de óxido. [2]
Durante este proceso, se incrementan una serie de características que incluyen la resistencia , ductilidad , tenacidad y conductividad eléctrica y térmica del material. Si diferentes polvos elementales son compactos y sinterizados, el material se formaría en aleaciones y fases intermetálicas. [2]
A medida que disminuyen los tamaños de los poros, aumentará la densidad del material. Como se indicó anteriormente, esta contracción es un gran problema en la fabricación de piezas o herramientas en las que se requieren dimensiones particulares. La contracción de los materiales de prueba se monitorea y se usa para manipular las condiciones del horno o para sobredimensionar los materiales compactos para lograr las dimensiones deseadas. Sin embargo , la sinterización no reduce la porosidad de la parte compacta . En general, las piezas de metal en polvo contienen entre un cinco y un veinticinco por ciento de porosidad después de la sinterización. [2]
Para permitir un apilado eficiente del producto en el horno durante la sinterización y evitar que las piezas se peguen, muchos fabricantes separan los artículos utilizando láminas separadoras de polvo cerámico. Estas láminas están disponibles en varios materiales como alúmina, zirconia y magnesia. También están disponibles en tamaños de partículas finas, medianas y gruesas. Al hacer coincidir el material y el tamaño de partícula con los productos que se sinterizan, se pueden reducir el daño y la contaminación de la superficie, al tiempo que se maximiza la carga del horno por lote.
Una técnica desarrollada recientemente para la sinterización de alta velocidad implica pasar una alta corriente eléctrica a través de un polvo para calentar preferentemente las asperezas . La mayor parte de la energía sirve para fundir la parte del compacto donde la migración es deseable para la densificación; comparativamente poca energía es absorbida por los materiales a granel y la maquinaria de formación. Naturalmente, esta técnica no es aplicable a polvos aislantes eléctricamente.
Procesamiento continuo de polvo
La frase "proceso continuo" debería utilizarse únicamente para describir modos de fabricación que podrían ampliarse indefinidamente en el tiempo. Sin embargo, normalmente el término se refiere a procesos cuyos productos son mucho más largos en una dimensión física que en las otras dos. La compresión, la laminación y la extrusión son los ejemplos más comunes.
En un proceso de compresión simple, el polvo fluye desde un contenedor a un canal de dos paredes y es comprimido verticalmente repetidamente por un punzón estacionario horizontalmente. Después de extraer la compresa del transportador, la masa compactada se introduce en un horno de sinterización. Un enfoque aún más fácil es rociar polvo sobre una banda en movimiento y sinterizarlo sin compresión. Sin embargo, es difícil encontrar buenos métodos para quitar materiales prensados en frío de las bandas en movimiento. Una alternativa que evita por completo la dificultad del desforre de la cinta es la fabricación de láminas de metal utilizando cilindros hidráulicos opuestos , aunque pueden surgir líneas de debilidad a lo largo de la lámina durante sucesivas operaciones de prensado. [ se necesita más explicación ]
Los polvos también se pueden enrollar para producir láminas. El metal en polvo se alimenta a un laminador de dos alturas [ se necesita una explicación adicional ] y se compacta en forma de tira a una velocidad de hasta 100 pies por minuto (0,5 m / s). A continuación, la tira se sinteriza y se somete a otro laminado y sinterización adicional. El laminado se usa comúnmente para producir láminas de metal para componentes eléctricos y electrónicos, así como monedas . También se ha realizado un trabajo considerable para enrollar múltiples capas de diferentes materiales simultáneamente en láminas. [ cita requerida ]
Los procesos de extrusión son de dos tipos generales. En un tipo, el polvo se mezcla con un aglutinante o plastificante a temperatura ambiente; en el otro, el polvo se extruye a temperaturas elevadas sin fortificación. [ se necesitan más explicaciones ] Las extrusiones con aglutinantes se utilizan ampliamente en la preparación de compuestos de carburo de tungsteno. Los tubos, las secciones complejas y las formas de brocas en espiral se fabrican en longitudes y diámetros extendidos que varían en el rango de 0,5 a 300 mm (0,020 a 11,811 pulg.). Se han extraído alambres de metal duro de 0,1 mm (0,0039 pulgadas) de diámetro a partir de polvo. En el extremo opuesto, pueden ser factibles grandes extrusiones por tonelaje.
Para metales más blandos y más fáciles de formar, como el aluminio y las aleaciones de cobre, la extrusión continua también se puede realizar utilizando procesos como la extrusión rotatoria continua o conformada. Estos procesos utilizan una rueda giratoria con una ranura alrededor de su circunferencia para impulsar el polvo suelto a través de una matriz de formación. Mediante una combinación de alta presión y una trayectoria de deformación compleja, las partículas de polvo se deforman, generan una gran cantidad de calor por fricción y se unen para formar un sólido a granel. En teoría, es posible un funcionamiento completamente continuo siempre que el polvo pueda introducirse en el proceso. [17]
No parece haber ninguna limitación para la variedad de metales y aleaciones que se pueden extruir, siempre que las temperaturas y presiones involucradas estén dentro de las capacidades de los materiales del troquel. Las longitudes de extrusión pueden oscilar entre 3 y 30 m [18] y diámetros entre 0,2 y 1 m. Las prensas modernas son en gran parte automáticas y funcionan a altas velocidades (del orden de m / s).
Material | Temperatura de extrusión | |
---|---|---|
K | ° C | |
Magnesio y sus aleaciones | 573-673 | 300-400 |
Aluminio y sus aleaciones | 673–773 | 400–500 |
Latones | 923–1123 | 650–850 |
Latones de níquel | 1023-1173 | 750–900 |
Cobre | 1073-1153 | 800–880 |
Cuproníquel | 1173–1273 | 900-1000 |
Aceros | 1323-1523 | 1050-1250 |
Monel | 1373–1403 | 11.00 a 11.30 |
Níquel | 1383–1433 | 1110-1160 |
Inconel | 1443–1473 | 1170-1200 |
Consolidación de choque (dinámica)
La consolidación por choque, o consolidación dinámica, es una técnica experimental de consolidación de polvos utilizando ondas de choque de alta presión. [20] [21] Estos se producen comúnmente al impactar la pieza de trabajo con una placa acelerada explosivamente. A pesar de que se ha investigado durante mucho tiempo, la técnica aún presenta algunos problemas de controlabilidad y uniformidad. Sin embargo, ofrece algunas ventajas potenciales valiosas. Por ejemplo, la consolidación se produce tan rápidamente que pueden retenerse microestructuras metaestables. [22]
Sinterización asistida por corriente eléctrica
Estas técnicas emplean corrientes eléctricas para impulsar o mejorar la sinterización. [23] Mediante una combinación de corrientes eléctricas y polvos de presión mecánica, los polvos se sinterizan más rápidamente, lo que reduce el tiempo de sinterización en comparación con las soluciones térmicas convencionales. Las técnicas se pueden dividir en dos categorías principales: sinterización por resistencia, que incorpora sinterización por plasma de chispa y prensado en caliente ; y sinterización por descarga eléctrica, [24] tal como sinterización por descarga de condensadores o su derivado, forja por electro sinterización . Las técnicas de sinterización por resistencia son métodos de consolidación basados en la temperatura, en los que el calentamiento del molde y de los polvos se realiza mediante corrientes eléctricas, habitualmente con un tiempo de procesamiento característico de 15 a 30 minutos. Por otro lado, los métodos de sinterización por descarga eléctrica se basan en corrientes de alta densidad (de 0,1 a 1 kA / mm ^ 2) para sinterizar directamente polvos conductores de electricidad, con un tiempo característico entre decenas de microsegundos y cientos de milisegundos.
Productos especiales
Muchos productos especiales son posibles con la tecnología de pulvimetalurgia. Una lista no exhaustiva incluye bigotes de Al 2 O 3 recubiertos con capas de óxido muy delgadas para mejorar la refracción; el hierro se compacta con recubrimientos de Al 2 O 3 para mejorar la resistencia a la fluencia a alta temperatura; filamentos de bombillas fabricados con tecnología de polvo; forros para frenos de fricción; vidrios metálicos para películas y cintas de alta resistencia; escudos térmicos para la reentrada de las naves espaciales en la atmósfera terrestre; contactos eléctricos para manejar grandes flujos de corriente; imanes ; ferritas de microondas ; filtros para gases; y cojinetes que pueden infiltrarse con lubricantes .
Las películas extremadamente delgadas y las esferas diminutas exhiben una alta resistencia. Una aplicación de esta observación es recubrir materiales quebradizos en forma de bigotes con una película submicrométrica de un metal mucho más blando (por ejemplo, tungsteno recubierto de cobalto ). La deformación superficial de la capa delgada coloca el metal más duro bajo compresión, de modo que cuando se sinteriza todo el material compuesto, la resistencia a la rotura aumenta notablemente. Con este método, se han observado resistencias del orden de 2,8 GPa frente a 550 MPa para los carburos de tungsteno revestidos (25% de cobalto) y sin revestir, respectivamente .
Peligros
Los materiales y procesos especiales utilizados en la pulvimetalurgia pueden representar un peligro para la vida y la propiedad. La alta relación superficie-volumen de los polvos puede aumentar su reactividad química en exposiciones biológicas (por ejemplo, inhalación o ingestión) y aumenta el riesgo de explosiones de polvo . Los materiales considerados relativamente benignos a granel pueden presentar riesgos toxicológicos especiales cuando se encuentran en una forma finamente dividida.
Ver también
- Forja electro sinterizada
- Prensa de polvo mecánica
- Fusión selectiva por láser
- Sinterización por láser selectiva
- Sinterización
- Sinterización por plasma de chispa
- Formación por pulverización
Referencias
- ^ DeGarmo , pág. 473
- ↑ a b c d e f DeGarmo , págs. 469–470
- ^ DeGarmo , pág. 472
- ^ Cifras clave de EPMA 2015 , Asociación europea de pulvimetalurgia
- ^ DeGarmo , pág. 460
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Fuentes citadas
- DeGarmo, EP (2008). Materiales y procesos en la fabricación (PDF) (10ª ed.). Wiley. ISBN 9780470055120.
Otras lecturas
- Una versión anterior de este artículo fue copiada del Apéndice 4C de Automatización avanzada para misiones espaciales , un informe de la NASA de dominio público.
- RM German, "Pulvimetalurgia y procesamiento de materiales particulados", Federación de Industrias de Polvo Metálico, Princeton, Nueva Jersey, 2005.
- F. Thummler y R.Oberacker "Introducción a la metalurgia de polvos" Instituto de materiales, Londres 1993
- GS Upadhyaya, "Materiales cerámicos y metálicos sinterizados" John Wiley and Sons, West Sussex, Inglaterra, 2000
enlaces externos
- Técnica de fabricación rápida desarrollada en KU Leuven, Bélgica
- Imágenes de video en cámara lenta de atomización de metal en el laboratorio Ames
- APMI International "La Sociedad Profesional Global de Pulvimetalurgia" [1] , una organización sin fines de lucro