im-2006-ii-14 procesamiento de titanio por metalurgia de
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IM-2006-II-14
Procesamiento de Titanio por Metalurgia de Polvos: Compactación y Diseño de un Sistema de Inyección.
Autor:
Diego Javier Gómez Gutiérrez
Código: 200214400
Profesor Asesor:
Jairo A. Escobar
M. Sc., Dr. En ingeniería mecánica.
Universidad De Los Andes
Facultad De Ingeniería
Departamento De Ingeniería Mecánica
Bogotá, Enero de 2007.
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ÍNDICE.
1. INTRODUCCION…………………………………………………………………………….. 3
2. MARCO CONCEPTUAL………………………………………………………………….…. 5
2.1. Titanio……………...………………………………………………………….………. 5
2.1.1. Introducción Y Estado Del Arte……………………………………………… 5
2.1.2. Propiedades del titanio elemental………...……………………..…...…….. 7
2.1.3. Metalurgia de Polvos del Titanio…………………………………………..... 9
2.1.4. Trabajo Previo en Colombia………………………………………………… 13
2.2. Metalurgia de polvos como proceso de manufactura .………………....... 13
2.2.1. Introducción…………………………………………………………..……….. 13
2.2.2. Caracterización de Polvos Metálicos……………………………………... 14
2.2.3. Conformado de Polvos…………………………………………………….... 33
2.2.3.1. Introducción…………………………………………………………. 33
2.2.3.2. Moldeo Por Inyección……………………………………………... 34
2.2.3.3. Moldeo Por Compactación………………………………………... 46
2.2.4. Sinterización…………………………………………………………………… 58
2.2.4.1. Introducción…………………………………………………………. 58
2.2.4.2. Conceptos de Sinterización……………………………………… 60
3. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL…………………………….. 64
3.1. Introducción……...………………………………………………………………… 64
3.2. Selección y caracterización de polvos de Ti……..….……………………….. 65
3.3. Adecuación de los polvos………………………………………………………. 66
3.3.1. Diseño y construcción de un mezclador de flujo cruzado..………….. 66
3.4. Conformación de polvos de Ti…………..……………………………………. 67
3.4.1. Compactación de los polvos………………………………………………. 68
3.4.2. Inyección de polvos de Ti...…….…………………………………………. 69
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS………………………………….…... 70
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4.1. selección y caracterización de polvos de Ti………………………………….... 70
4.1.1. Selección de polvos de Ti……………………..……………………………. 70
4.1.2. Caracterización de polvos de Ti…………………………………………… 70
4.2. Adecuación de los polvos……..………..……………………………………….…. 82
4.2.1. Diseño y construcción de un mezclador de flujo cruzado…..……….. 82
4.3. Conformación de polvos de Ti…………….……………………………………..... 86
4.3.1. Compactación de polvos de Ti…………………………………….………. 86
4.3.1.1. Diseño y fabricación de la matriz………………………………….. 86
4.3.2. La matriz en la realidad…………………………………………….……….. 93
4.3.3. Compactación de los polvos adecuados…..………………………….… 95
4.3.4. Compactación de polvos gruesos……….…….……………………….… 97
4.3.5. Rediseño de adecuación de los polvos……..…………………………… 98
4.3.6. Inyección de polvos de Ti…………………………………………………..103
5. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS…………………………………………………... 107
6. LISTA DE REFERENCIAS……………………………………………………………….. 111
6.1. BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………………………………... 111
6.2. INTERNET…………………………………………………………………………….. 113
7. LISTA DE FIGURAS, FOTOS Y TABLAS……………………………………………... 114
7.1. Lista de Imágenes…………………………………………………………………... 114
7.2. Lista de Tablas……………………………………………………………………..... 118
8. ANEXOS……………………………………………………………………………………..119
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1. INTRODUCCIÓN.
La metalurgia de polvos es un proceso de conformación de metales; el uso de polvos
como material y técnica para la manufactura de artículos se remonta a cientos de años
atrás, pero al aparecer y desarrollarse procesos de manufactura como la fundición y la
forja, hicieron que esta fuera olvidada y permaneciera dormida. Solo hasta comienzos del
siglo 20 (1910) se volvió a utilizar este método gracias a la necesidad tecnológica de
fabricar filamentos de Tungsteno utilizados en las bombillas de luz y mas tarde para los
40’s debido a la necesidad de un proceso de manufactura de bajo costo y a la utilización
de materiales poco comunes entre ellos los metales refractarios y sus aleaciones (Nb, W,
Mo, Zr, Ti, Re) durante la segunda guerra mundial para la fabricación de productos con
fines bélicos.
Gracias a las ventajas que ofrece este proceso como tener un gran control
microestructural, posibilidad de conformar materiales frágiles o con puntos de fusión muy
altos (Ej. Tungsteno), producción de grandes cantidades de piezas (100000 – 1000000
por año), alta complejidad de las piezas obtenidas, reducción de procesos posteriores de
acabado (Piezas Near Net Shape), buen control dimensional, reducción de la cantidad de
material desperdiciado y de los costos. Ha aumentado aceleradamente su utilización
como proceso de manufactura a nivel mundial, desplazando en muchos casos a
procesos competidores como mecanizado y microfundición, abriéndose campo y
encontrando su nicho en industrias como la aeroespacial, la de la salud, la
automovilística, la militar y la química.
El titanio tiene propiedades únicas como su alta razón de peso resistencia mecánica (baja
densidad), buena resistencia en ambientes altamente corrosivos y utilización dentro de un
amplio rango de temperaturas. El alto costo de producción de piezas ha limitado su
utilización en la mayoría de los casos, hay aplicaciones muy específicas en la industria
química y aeroespacial. Es por esto que desde los años setenta del siglo XX se ha estado
utilizando la metalurgia de polvos (MP) para reducir el costo de las piezas. La demora en
la expansión de la MP del Ti en los mercados radica principalmente en la alta reactividad
de los polvos con elementos como oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno; lo cual
genera impurezas intersticiales.
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Es por esto que la mayor parte de las investigaciones que actualmente se están llevando
a cabo dentro del campo de la MP del Ti a nivel mundial, son las referentes a lograr la
obtención de polvos con bajos niveles de impurezas y a la creación de aditivos
especiales, los cuales son utilizados durante las etapas iniciales y finales de las técnicas
de producción, estos deben exhibir alta estabilidad química y no sufrir una
descomposición catalítica en presencia del polvo durante el moldeo, así como en los
subsecuentes procesos térmicos en los cuales se mantienen isotermas durante tiempos
prolongados, con el fin de obtener piezas finales con buenas propiedades mecánicas.
Este proyecto de grado tiene un carácter exploratorio debido a que la metalurgia de
polvos es un tema de investigación relativamente nuevo, hay una carencia de
conocimientos sobre este tema en el país, y además porque el nivel de importaciones de
Ti y sus aleaciones, TiO2, y objetos hechos en estos material es significativamente mayor
a las mismas cantidades de estos mismos ítems exportados.
Cualquier conocimiento que se adquiera durante el desarrollo del proyecto es algo
novedoso e importante para el desarrollo de esta tecnología en el país.
Este trabajo se propone explicar, mostrar, y entender los procesos para obtener piezas a
partir de polvos de titanio adquiridos comercialmente, fabricadas por técnicas
convencionales de metalurgia de polvos, y el diseño de un sistema ligante para la
inyección de los mismos. Para esto fue necesario hacer la recolección de información
pertinente a partir de literatura referente al tema, el diseño, construcción y adecuación de
equipos, y la selección, caracterización y adecuación de materiales; para posteriormente
analizar estos resultados comparándolos con la literatura.
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2. MARCO CONCEPTUAL
2.1. Titanio
2.1.1. Introducción y estado del arte
La metalurgia del titanio y sus aleaciones ha sido investigada con gran intensidad durante
los últimos 50 años. El titanio tiene propiedades únicas como su alta razón de peso
resistencia mecánica (baja densidad), buena resistencia en ambientes altamente
corrosivos y utilización dentro de un amplio rango de temperaturas. Las aplicaciones
típicas ingenieriles de las aleaciones de Titanio incluyen la manufactura de dispositivos
criogénicos y componentes aeroespaciales. Aunque posee un gran potencial, el alto
costo de producción de piezas ha limitado su utilización en la mayoría de los casos ha
aplicaciones muy específicas en las industria químicas y aeroespacial; Ref. [1].
Cada vez se está poniendo más y más atención ha la expansión de los mercados de las
aleaciones de titanio en la industria automotriz, debido a la demanda de crecimiento de la
industria del titanio y a la disminución en el consumo de energía de los vehículos. De
todas formas, las aleaciones de Titanio no pueden ser utilizadas a gran escala a menos
que se disminuya el costo de las piezas hasta un nivel aceptable. El alto costo de estas
piezas es debido al costo del material y de su procesamiento comparado con el de otros
materiales competidores. Por ejemplo, cuando se manufactura una placa de 1 in de
espesor, el costo principal corresponde a cerca del 53% y el último al 47%. Es por esta
razón que estos dos factores deben ser considerados para logra reducir el costo de las
partes hechas en aleaciones de Titanio; Ref. [2].
Para la reducción del costo tanto del material como el del las piezas finales se han llevado
acabo numerosas investigaciones incluyendo técnicas de metalurgia de polvos (MP). El
problema con el material es que es seis veces más caro que el acero y la tecnología que
actualmente se utiliza para producirlo es lenta, cara y consume toneladas de sustancias
químicas corrosivas; Ref. [3,4].
La metalurgia de polvos MP del titanio y sus aleaciones se ha tenido en cuenta desde los
años 70 del siglo XX para reducir el costo de las piezas y obtener componentes que
tienen texturas que van desde débiles hasta ausentes, una estructura granular uniforme y
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una mayor homogeneidad comparando con productos labrados convencionales. Los
polvos de Titanio y sus aleaciones pueden clasificarse según la forma como se adopte la
materia prima en 2 categorías: pre-aleados, y mezcla elemental. El uso de los polvos del
tipo mezcla elemental son más costo-efectivos debido a que son baratos, los más
utilizados son los polvos finos de Titanio esponja y los obtenidos a través del proceso
(HDH) los cuales serán explicados mas adelante en este trabajo. Recientemente, se ha
logrado un progreso significativo en la reducción de los costos en el procesamiento de los
polvos de Titanio, lo cual conlleva a una reducción en el costo de los mismos; Ref. [2,3].
Otro aspecto que ayuda en la reducción del costo es la viabilidad de poder alcanzar
piezas con una densidad casi completa (100% de la teórica) por medio de las técnicas
convencionales de la MP. El problema que ha demorado la expansión de la MP del Ti en
los mercados radica principalmente en la alta reactividad de los polvos con elementos
como Oxígeno, Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno; lo cual genera impurezas intersticiales
que generalmente se encuentran en polvos económicos en cantidades que están por
encima de los estándares de la ASTM para aplicaciones que requieren alto rendimiento,
las propiedades de estas son suficientes para aplicaciones especificas como: joyería,
carcasas de relojes y cabezas de palos de golf, ya que estas impurezas aunque se
encuentren en concentraciones bajas degradan severamente la propiedades mecánicas
del Ti y sus aleaciones; Ref. [3, 5].
Es por esto que la mayor parte de las investigaciones que actualmente se están llevando
a cabo dentro del campo de la MP del Ti a nivel mundial, son las referentes a lograr la
obtención de polvos con bajos niveles de impurezas y a la creación de aditivos
especiales, los cuales son utilizados durante las etapas iniciales y finales de las técnicas
de producción, estos deben exhibir alta estabilidad química y no sufrir una
descomposición catalítica en presencia del polvo durante el moldeo, así como en los
subsecuentes procesos térmicos en los cuales se mantienen isotermas durante tiempos
prolongados, con el fin de obtener piezas finales con buenas propiedades mecánicas. Un
ejemplo de estos es un sistema ligante para (MIM) que pueda ser retirado por completo a
una temperatura por debajo de 260 ºC en una atmósfera controlada para prevenir la
introducción de impurezas en la pieza sinterizada (a esta temperatura el titanio comienza
a reaccionar químicamente) ya que al utilizar los ligantes convencionales (los que utilizan
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polímeros termoplásticos comunes como: Polipropileno, Polimetilmetacrilato, etc.…) para
la inyección de polvos de titanio la remoción es incompleta y los plásticos se degradan
dentro de la pieza introduciendo carbono antes de pasar a la etapa de sinterización. En
esta ultima etapa también es de gran relevancia el control de la atmósfera para prevenir el
aumento a cantidades superiores a los estándares de las impurezas ya que se lleva
acabo a temperaturas por encima de los 1000ºC; Ref. [1-5].
Para finalizar, actualmente se están investigando y desarrollando métodos para obtener
de manera mas económica el titanio en forma elemental, así como también procesos a
través de los cuales se puedan obtener polvos de titanio cuyo costo se encuentre por
debajo de 20 o de 45 US $/lb. dependiendo del tamaño y la forma y con una excelente
pureza para lograr expandir su utilización en los mercados de aplicaciones de alto
rendimiento como lo es la industria aeroespacial; así como también se están
desarrollando aditivos (especialmente sistemas ligantes) los cuales posean una gran
estabilidad química y sean fáciles de remover con el fin de asegurar niveles de
contaminación dentro del material que se encuentren dentro o por debajo de los limites
establecidos por las normas ASTM para poder asegurar una buenas propiedades del
material.
2.1.2. Propiedades del titanio elemental
Figura 1. Propiedades Del Titanio como material elemental; Ref. [10].
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2.1.2.1. Estructuras en general
El titanio tiene 2 estructuras cristalinas elementales: BCC y HCP, la cúbica se encuentre
solo a altas temperaturas a menos que el Titanio se encuentre aleado con otros
elementos para mantener la estructura cúbica a bajas temperaturas.
Estas 2 estructuras se conocen comúnmente como Alfa y Beta, Alfa se refiere a cualquier
Titanio hexagonal puro o aleado, mientras que Beta denota cualquier Titanio cúbico puro
o aleado; utilizando estas estructuras en general se aceptan 4 clases de aleaciones de
Titanio: Alfa, Casi Alfa, Alfa-Beta y Beta; Ref. [10].
Figura 2. Apariencia de las estructuras cristalinas del Titanio a nivel atómico. (a) Hexagonal compacta HCP. (b) Cúbica centrada en el cuerpo BCC; Ref. [10].
Figura 3. Esquema que muestra los efectos de los elementos aleantes en la estructura y algunas propiedades seleccionadas (aleaciones representativas observadas); Ref. [10].
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El Titanio comercialmente puro Tiene estructura Alfa, con el suficiente nivel de elementos
aleantes favorables a Beta, se produce la fase Beta. Los Aluminuros de Titanio son
compuestos intermetálicos entre Titanio y Aluminio con uno o más elementos aleantes
adicionales.
2.1.3. Metalurgia de polvos del titanio
2.1.3.1. Obtención de los polvos
Polvos de Titanio Elemental: Debido a la alta reactividad inherente del
material, la producción de polvos de Titanio y sus aleaciones es muy limitada.
Razón por la cual métodos no tradicionales y por ende mas costosos, han sido
la norma en la industria. Partículas de 150 µm (Titanio esponja) y polvos de
aleación principal Aluminio-Vanadio producidos por técnicas convencionales de
MP, han sido utilizados en el proceso de mezcla elemental (BE) para producir
partes pulvimetalúrgicas de aleaciones de Titanio. Estas partículas de Titanio
esponja son obtenidas como un subproducto del proceso Kroll de reducción
por Magnesio para el Titanio. La esponja es triturada antes de ser consolidada
y, aunque la mayor parte de esta tiene un tamaño aceptable para ser
procesada convencionalmente, existen partículas que convenientemente no
son incorporadas al proceso de consolidación de la esponja, refundición por
arco en vació (VAR). Consecuentemente estas partículas representan una
fuente de bajo costo para la obtención de polvos de Titanio elemental.
Debido al cierre de plantas de la industria del Titanio durante finales de los 80’s
y 90’, las partículas de titanio esponja son mas escasas de lo que eran en
años anteriores, y fuentes alternativas de polvo de Titanio elemental están
siendo desarrolladas; claro está que el polvo de Titanio elemental puede ser
producido por los mismos métodos para producir polvo de pre-aleaciones de
Titanio.
Los Polvos basados en partículas de Titanio esponja tienen forma irregular, lo
que es una ventaja en la producción de verdes con suficiente resistencia para
ser manipulados en las subsecuentes operaciones de sinterización; Ref. [10].
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10
Polvos pre-aleados de Titanio: Cada partícula de polvo pre-aleado de titanio
exhibe la misma química de la aleación deseada. Esto porque el material base
que se utiliza para la producción de polvos es fundido o labrado.
Debido a la reactividad del Titanio, la producción de polvos no depende
únicamente de la atomización por gas, sino también de otros procesos únicos a
su química y metalurgia, algunos de estos procesos son:
Proceso de electrodo rotacional (REP), es un proceso de atomización
centrifuga.
Proceso de electrodo de plasma rotacional (PREP), es un proceso de
atomización centrifuga.
Proceso hidruración / deshidruración (HDH).
Atomización por gas (GA).
Existen otros procesos o están en desarrollo, pero que no tienen actualmente
un uso comercial, algunos de estos son:
Pulverización bajo vació (PSV) (pulverization sous vide).
Fundición de disparo continuo (CSC).
Gota pendiente (PD).
Reducción por destello de vapores de Titanio (aleaciones).
Algunos esfuerzos adicionales se han dirigido a la producción de polvos
elementales y pre-aleados por métodos químicos, pero aun así el desarrollo de
una nueva técnica para producir polvo de bajo costo y alta calidad sigue siendo
un prerrequisito para la expansión del mercado de los productos de Titanio
hechos por MP; Ref. [10].
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o Descripción de los procesos comerciales de obtención de polvos de
aleaciones Titanio:
Atomización centrifuga (REP, PREP): En este proceso el metal fundido
es lanzado por una fuerza centrifuga en forma de aerosol fino que se
solidifica en un polvo. Como ejemplo está el método de electrodo
consumible, este método consiste en fundir el electrodo por medio de un
arco de plasma o por un electrodo estacionario de Tungsteno. El electrodo
consumible es el ánodo y rota a velocidades de hasta 50000 RPM; Ref.
[23].
Atomización Por Gas (GA): El uso de Aire, Nitrógeno, Helio, o Argón
como un fluido para romper un flujo de metal fundido provee un versátil
arsenal de técnicas de fabricación de polvo. El flujo de metal líquido es
desintegrado por una rápida expansión que sufre el gas al salir de la
tobera. Este es una técnica ideal para materiales a base Níquel, súper
aleaciones, y algunos altamente aleados; Ref. [23].
Hidruración / deshidruración (HDH): Este proceso utiliza el concepto de
pulverización de materiales frágiles para producir polvos. El Titanio y sus
mas comunes aleaciones sufren una fragilización al ser calentados en una
atmósfera de hidrogeno. Después de la hidruración, el producto es
extremadamente friable (fácil de desmoronarse) y puede reducirse
espontáneamente a polvo o es fácilmente pulverizado. El polvo es después
deshidrurado calentándolo en vació. Este proceso tiende a aumentar el
contenido de oxigeno, y otros contaminantes también pueden estar
presentes, por ende no es conveniente para aplicaciones críticas; Ref. [23].
Los procesos para la manufactura de polvos de Titanio son lentos y costosos, y esto ha
resultado en un crecimiento lento de la MP como método de manufactura de piezas de
Titanio.
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Las consideraciones mas importantes en la producción de componentes pulvimetalúrgicos
(PM) de Titanio son el contenido de Oxigeno, la pureza, y contaminantes. El Oxigeno
tiene los mismos efectos indeseables en las piezas PM como los que tienen los productos
labrados. Los polvos especialmente muy finos, deben manipularse con mucho cuidado ya
que tienen mucha afinidad por el Oxigeno y pueden ser altamente pirofóricos. La pureza
es importante para todos los productos hechos por MP y es crítica para la consolidación
de la mezcla elemental donde el contenido de espacios vacíos debe ser mínimo, El
contenido residual de Cloro es un factor de gran importancia en la cantidad de porosidad
residual en el producto final. Los contaminantes son perjudiciales para el desempeño a
fatiga del producto y son clave en términos de las propiedades a fatiga finales que pueden
ser obtenidos; Ref. [23].
2.1.3.2. Beneficios
La manufactura de titanio por MP ofrece el potencial para obtener piezas casi con la forma
final “near net shape” combinada con propiedades mecánicas que son iguales o superan
las de productos fundidos o labrados. Esto se debe a la carencia de textura y
segregación, y a la uniforme y fina forma de la estructura de los granos inherente en los
productos PM de titanio. Niveles de resistencia equivalentes a los de los productos
labrados, acompañado de una reducción substancial de procesos posteriores de
mecanizado y los desechos, se combinan para hacer que los productos PM de titanio
sean alternativas atractivas a la metalurgia de lingotes, implicando aleaciones de titanio
labradas, y a las fundiciones.
Para lograr explotar totalmente el potencial PM del Titanio, esfuerzos substanciales se
han hecho para reducir el costo de los polvos y de componentes basados en polvo. Los
costos óptimos del polvo y de la consolidación para producir compactados completamente
densos de alta calidad siguen siendo un obstáculo en el uso de polvos en el campo de las
aleaciones de titanio.
Procedimientos mejorados de producción y fabricación de polvos de bajo costo, acoplado
con técnicas de ensayo no destructivas (NDT) y estándares realistas de las NTD aun son
requeridos; Ref. [10].
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2.1.4. Trabajo previo en Colombia
Luego de una revisión a las paginas de diferentes universidades colombianas,
Colciencias, el Ministerio de comercio, industria y turismo, Proexport, e Ingeominas; en
Colombia la investigación en metalurgia de polvos es aun muy baja, probablemente
debido a la falta de conocimiento en el tema, y en cuanto a investigaciones referentes al
Titanio, no hay ninguna acerca de su procesamiento para obtener piezas (objetos) o
ramas afines, las pocas que se han desarrollado son acerca de su uso como
recubrimiento (para disminuir el desgaste) en herramientas para mecanizado y trabajo en
frió; a nivel industrial el Titanio es explotado en forma de minerales: Rutilo e Ilmenita; en
cantidades mínimas en el departamento del Atlántico, y solo hay un registro del año 2003
en el que se indica que hubo una exportación de 37 Ton., aproximadamente 11262 $US
(Ver Figura), estos minerales no son refinados en el país ya que no existe infraestructura
para hacerlo, razón por la cual la mayor parte del Titanio existente en Colombia es
importado en forma de dióxido de Titanio para las industrias de pinturas, plástico, papel y
materiales de construcción.
Figura 4. Histograma Exportaciones colombianas de minerales de Titanio hasta abril de 2006; Ref. [I]3.
2.2. Metalurgia de polvos como proceso de manufactura
2.2.1. Introducción
La fabricación de piezas por metalurgia de polvos consiste en la conformación en dados o
en moldes de una mezcla de polvos metálicos los cuales pueden estar mezclados con
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otros polvos metálicos, además de estar mezclados con ciertos aditivos, por medio de
procesos que en la mayoría de los casos requieren de presión ya sea en frió o en caliente;
una vez conformada la mezcla se obtiene una pieza en verde la cual tiene una baja
resistencia mecánica pero suficiente para su manipulación, posteriormente esta pieza se
somete a procesos químicos y/o térmicos para la retirada de los aditivos y a otro térmico
llamado sinterización el cual se lleva acabo a temperaturas que están en un rango que va
desde 0.5 hasta 0.7 de la temperatura de fusión del metal utilizado, en el cual por medio
de fenómenos de difusión los polvos se unen formándose una única fase en el material
de la pieza pero con un porcentaje residual de los poros.
Los aditivos se pueden dividir en lubricantes y en ligantes, las principales funciones de
los lubricantes son: disminuir la fricción entre partículas de polvo con otras partículas de
polvo y con las herramientas, reducir los gradientes de densificación sobre las piezas,
minimizar la carga de extracción sobre la pieza (evitar que el verde se fracture); la función
principal de los ligantes es aumentar la resistencia del verde y cuando se quiere granular
el polvo (Para utilizarlo en un proceso de conformado conocido como moldeo por
inyección de metales MIM).
2.2.2. Caracterización de polvos metálicos
2.2.2.1. Introducción
Una buena comprensión y evaluación de las propiedades químicas y físicas de los polvos
como partículas o como volumen, es fundamental para lograr un procesamiento exitoso
por medio de metalurgia de polvos (MP).
Son de gran importancia las siguientes características:
Forma de partícula.
Tamaño y distribución de partícula.
Superficie libre especifica.
Composición química.
Densidad aparente*.
Fluidez o tasa de flujo*.
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Compresibilidad*.
Aquellas marcadas con (*) son consideradas propiedades tecnológicas del polvo ya que
interfieren directamente en los procesos involucrados en la producción de piezas
pulvimetalúrgicas (PM), Ref. [21].
La densidad aparente, y la fluidez, así como las propiedades finales de una pieza
pulvimetalúrgica se ven afectadas directamente por cambios en características físicas
básicas de los polvos como tamaño de partícula y distribución del mismo, forma, y
condiciones superficiales.
Igual de importantes son las propiedades químicas ya que sino se cuidan los
contaminantes estos deterioraran la compresibilidad y la sinterabilidad de los polvos
afectando directamente las propiedades de la pieza final; Ref. [12].
En este capitulo se describen las técnicas utilizadas durante el desarrollo del proyecto, si
desea conocer un poco mas acerca de otras técnicas ver Anexos Caracterización de
polvos.
2.2.2.2. Forma de partícula
La forma de las partículas es la primera característica que debe ser tenida en cuenta
cuando se quiere determinar el óptimo uso del polvo metálico, ya que influencia el
empaquetamiento, flujo, y comprensibilidad; provee información sobre el proceso por el
cual se fabrico el polvo (Figura 5), y ayuda a explicar muchas características del
procesamiento.
Debido a que cuantificar la forma de las partículas tiene una alta dificultad, se utilizan
unos descriptores cualitativos: contorno superficial de la partícula (Figura 6) y
dimensionalidad de la partícula para lograr darle un de forma.
La forma de las partículas varia dependiendo del tamaño y de la técnica de manufactura.
Un análisis de tamaño de partículas que asuma una forma constante de estas, puede
tener un error potencialmente grande. Para muchos análisis el uso de un descriptor
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cuantitativo ha probado ser adecuado. El descriptor más directo es el coeficiente de
aspecto, definido como la mayor dimensión dividido por la menor dimensión de la
partícula. Para una esfera el coeficiente tiene un valor unitario, mientras que para un
ligamento tiene un valor cercano entre 3 y 5. Una partícula con forma de hojuela puede
tener coeficientes que superan valores de 10 y en a veces puede llegar a ser tan alto
como 200.
Las partículas de una dimensión esencialmente parecen barras, la longitud en estas
partículas denominadas fibrosas es significativamente más grande en magnitud que su
área transversal. Pueden clasificarse según su superficie: lisa o rugosa.
Las partículas bidimensionales son planas por naturaleza. Las dimensiones laterales son
mucho mayores que su espesor. El contorno superficial de estas partículas es usualmente
algo irregular.
La mayoría de los polvos son tridimensionales. Estos polvos pueden ser equiaxiados y
nodulares; la partícula mas simple en esta categoría es la de tipo esférico, y partiendo de
esta forma perfecta y contorno, partículas irregulares y tipos nodulares son obtenidos.
Frecuentemente el análisis de forma y tamaño son difíciles debido a la unión entre varias
partículas formando un gran aglomerado; para una buena observación de los polvos es
necesaria una dispersión de partículas adecuadas. Debido a las limitaciones del análisis
cualitativo para determinar los parámetros de de las formas tridimensionales, se a
utilizado el análisis cuantitativo a través del uso de varias descripciones matemáticas; Ref.
[12, 21, 23].
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Descriptores cualitativos de forma:
Figura 5. Algunas formas de partículas de polvo y sus métodos de manufactura, Ref. [12].
Figura 6. Colección de posibles formas de partículas y los descriptores cualitativos sugeridos. Ref. [23]
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Figura 7. Micrografías donde se muestran formas comunes de partículas en polvo suelto descritas en la norma ISO 3252; a) Acicular (forma de agujas), b) Angulares, c) Dendrítico, d) Fibroso, e) hojuelas (Flaky), f) Granular, g) Irregular, h) Nodular, i)
Esferoidal; Ref. [12].
Para poder determinar y representar cualitativamente la forma de una partícula se han
desarrollado múltiples factores de forma la tabla 1 muestra los más comúnmente usados.
La aplicabilidad y las limitaciones de varios factores de forma, o también llamados
parámetros de forma dependen de una caracterización estereológica de la forma. La
estereología se refiere a un estudio de la estructura tridimensional de materiales a partir
de secciones bidimensionales o proyecciones, basado principalmente en probabilidades
geométricas; Ref. [12].
Los siguientes son los requerimientos que debe cumplir un parámetro de forma
estereológico:
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Sensibilidad de forma: El valor de un parámetro particular debe variar
sistemáticamente con aspectos fundamentales como elongación, volumen y
simetría.
Independencia de otras propiedades geométricas: Tamaño, distribución de
tamaño, fracción de volumen, u otras características no relacionadas con la forma
no deben influenciar el valor del factor de forma.
Accesibilidad: Los valores a partir de los cuales son calculados los parámetros
deben estar disponibles por medio de una simple medición sobre una imagen
plana.
Los factores de forma más utilizados Son los de Hausner:
Rata de elongación (x): x = a/b
Factor de volumen (y): y = A/ab
Factor se superficie (z): z = c2/12.6A
Donde (a, b, c, A) son:
a: Largo del rectángulo que envuelve la partícula.
b: Ancho del rectángulo que envuelve la partícula.
c: Circunferencia de la partícula proyectada.
A: Area superficial de la partícula proyectada.
Figura 8.Esquema determinación de características de las partículas; Ref. [12].
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Tabla 1. Factores de forma y sus definiciones; Ref. [21].
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Análisis cuantitativo de la forma:
El análisis cuantitativo depende del uso de microscopia óptica y electrónica. Los avances
en el análisis cualitativo para la determinación de forma de partículas están basados en el
uso del Microscopio Electrónico de Barrido (SEM), ya que no solo tiene una capacidad de
magnificación alta sino que también produce imágenes con apariencia tridimensional,
razón por la cual a desplazado en este campo a el uso de la microscopia óptica; Ref. [12].
Análisis cuantitativo de forma de las partículas por microscopio electrónico de
barrido (SEM):
El (SEM) está compuesto de un cañón de electrones, una columna de electrones con una
serie de aperturas y ensambles de lentes magnéticos, cámara de muestras, varios
sistemas de detección (principalmente para la detección de electrones secundarios y
retro-dispersados), y una consola de instrumentos que provee control del rayo y de
exhibición de la imagen.
La característica más importante, en adición a su alta capacidad de magnificación
(superiores a 10000X), es su habilidad para producir imágenes con apariencia
tridimensional (Figura 9). Esta habilidad deriva del hecho que el campo de profundidad de
un SEM es 100 veces mayor al de un microscopio óptico.
El SEM a sido utilizado en la MP para estudiar todos los aspectos de la morfología de las
partículas, incluyendo tamaño, forma, topografía superficial, estructura superficial,
recubrimientos o características de capas delgadas (óxidos), espacios, poros,
aglomeraciones y formación de satélites. También ha sido utilizada para estudiar los
efectos de contaminantes sobre materiales pulvimetalúrgicos (PM); Ref. [12].
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22
Figura 9. Dibujo esquemático de una instalación típica de un SEM; Ref. [12].
2.2.2.3. Tamaño de partícula y distribución de tamaño
El tamaño y distribución de tamaño de partículas dependen del proceso de obtención del
polvo, y tienen un efecto significativo en el comportamiento de los polvos metálicos
durante su procesamiento; gobiernan las propiedades finales de los productos hechos a
partir de polvos, por consecuencia su caracterización es esencial; Ref. [12].
La mayoría de los analizadores de tamaño de partícula utilizan un parámetro geométrico y
asumen que la forma de las partículas es esférica, las bases para este análisis son
obviamente geométricos entre los que se encuentran el área superficial, área proyectada,
dimensión máxima, área transversal mínima, o volumen. En la industria PM, el método
tradicional y más usado para la medición del tamaño de partícula es el Tamizado. Los
tamices no solo son usados para medir el tamaño de partícula sino también para separar
los polvos en fracciones de tamices.
Durante las ultimas dos décadas se han desarrollado varios métodos electrónicos de
análisis de tamaño de partícula, estos proveen una mayor velocidad de medición,
resolución y sensibilidad a tamaños pequeños que los tamices, ahorrando tiempo de
trabajo y brindando datos mas precisos; Ref. [12].
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23
Sin embargo los resultados obtenidos para un mismo polvo pueden variar dependiendo
del equipo y el método que se use. Esto se debe a la forma de las partículas, siendo para
la definición de tamaños para partículas con forma esférica sencilla, lo cual no aplica para
polvos con formas irregulares, donde otras técnicas se aplican; Ref. [21].
Tabla 2. Métodos típicos para medición de partícula y distribución de tamaño; Ref. [21].
Descripción de los métodos Utilizados:
Tamizado:
El tamizado es el método mas utilizado para determinar el tamaño de las partículas y la
distribución de los mismos; estas variables son controladas y certificadas por el productor
del polvo, y son chequeadas una vez más por el usuario final.
Típicamente se selecciona una serie de tamices que varia en palmos los cuales cubren el
rango completo de tamaños de partículas presentes en el polvo. Los tamices son apilados
en orden de tamaño, con el que tenga la malla más grande en la parte superior y un
recipiente en la parte inferior (Figura 10).
Figura 10. Dibujo esquemático de los tamices apilados en orden; Ref. [23].
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24
Tabla 3. Tamaño de tamiz y su correspondiente tamaño de partícula; Ref. [23].
Una cantidad apropiada de polvo (100g o 50g dependiendo de la densidad aparente del
polvo, norma ASTM E 11) es esparcida en el tamiz superior y cubierta, el apilado de
tamices es agitado por un periodo de tiempo especificado. Las fracciones de polvo que
quedan en cada tamiz y en el recipiente al final son pesadas por separado y
representadas como un porcentaje para cada tamiz; Ref. [12].
Microscopia y análisis de imagen:
La microscopia es el método más definitivo para el análisis de tamaño de partículas, ya
que partículas individuales pueden ser observadas y medidas. Diferentes medidas que
tienen como objetivo clasificar la imagen bidimensional observada en términos de una
esfera equivalente. Algunas de las técnicas utilizadas son mas arte que ciencia y algunas
otras son subjetivas, esto debido a que muchas de las partículas estudiadas tienen formas
irregulares cuando son observadas a través de un microscopio. Aun así si se siguen los
principios básicos de muestreo, preparación, y conteo, se puede lograr un conteo preciso
con un entendimiento de la naturaleza de las partículas estudiadas; Ref. [12, 21].
Varias técnicas se han usado para medir el tamaño de partículas con forma irregulares
vistas a través de un microscopio. Entre las medidas típicas aceptadas para clasificar las
imágenes bidimensionales observadas en términos de una partícula esférica equivalente
se encuentran; Ref. [12]:
Diámetro de Feret (F): Máxima longitud de una partícula medida en una dirección
fija.
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25
Diámetro de Martin (M): Longitud de una línea horizontal que divide el área de la
partícula en dos partes iguales, todas las partículas deben medirse en la misma
dirección.
Diámetro de área proyectada (da): Diámetro de un círculo cuya área sea igual a la
proyectada por la partícula.
Mayor dimensión (Fmax): Máximo diámetro de Feret para cada partícula, no tiene
sistema de dirección fijo.
Diámetro de perímetro (dp): Diámetro de un círculo que tenga una circunferencia
con el valor del perímetro de la partícula.
Figura 11. Técnicas para medir tamaño de partículas con formas irregulares; Ref. [21].
2.2.2.4. Superficie libre específica
Para determinar el comportamiento de un polvo metálico durante el procesamiento y de
las propiedades mecánicas de la pieza terminada hecha por M.P., indicadores como la
superficie libre especifica (m2/Kg.), densidad (g/cm3), y porosidad (%) pueden ser útiles;
Ref. [12].
El área superficial ayuda a entender en comportamiento durante: la compactación, el
sinterizado, contaminación, fricción, catálisis, la actividad química y adsorción; el valor de
esta puede ser determinado por medio de varios métodos, aunque estos no son
específicos para los polvos metálicos; muchos fueron desarrollados para probar otros
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26
materiales en forma de polvo. Por si sola el área superficial no puede decir nada acerca
de la distribución de propiedades, la textura del polvo o la estructura interna.
Aproximación geométrica:
Asumiendo que las partículas son totalmente esféricas y tienen un tamaño homogéneo se
puede hacer una aproximación utilizando la teoría de área superficial como índice de
forma; Ref. [9, 23]. La aproximación es de la siguiente manera:
El área específica se expresa en términos de área por unidad de masa (m2/g). Para
esferas con tamaño homogéneo, el área por esfera A y el volumen por esfera V se
pueden expresar como:
6
3
2
DV
DA
El peso W de una partícula sólida es calculado a partir del volumen de la partícula y la
densidad teórica del material m
VW m
En consecuencia, el área por unidad de peso (S= A / W) se expresa para partículas
esféricas como:
m
m
DS
D
DS
6
6
3
2
2.2.2.5. Composición química de superficie
La composición química de un polvo es un factor importante en la determinación del
comportamiento (reacciones) del polvo a la compactación inicial, específicamente la
habilidad del polvo a densificarse. Durante la sinterización, es posible la generación de
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27
reacciones químicas dentro del compactado o entre el compactado y la atmósfera de
sinterización.
La composición dictamina la temperatura y el tipo de atmósfera requerida.
Subsecuentemente las propiedades de la pieza final sinterizada dependen en gran
medida de la composición química del material.
Usualmente, los análisis químicos son dados en términos del contenido de impurezas
metálicas y no-metálicas, en los polvos es posible que estas impurezas estén en forma de
compuestos; las impurezas pueden estar presentes en forma elemental.
La química de una partícula es homogénea en todo su volumen, pero a nivel de superficie
es muy in homogénea. El tipo y el grado de in homogeneidad son sensibles a los métodos
de procesamiento de los polvos.
La aplicación de técnicas de análisis de superficie a los productos PM es esencial para un
mejor entendimiento de la química de superficie y sus repercusiones relacionadas con el
proceso: la lubricación, catálisis, adhesión, corrosión, fractura, etc.; en las propiedades
mecánicas de estas.
Técnicas de análisis de química de superficie:
Espectroscopia de fotoelectrones por rayos X (XPS):
Se utiliza para el análisis superficial, principalmente identificar los elementos que la
componen. Se disparan fotones a la superficie, cuando uno de estos es absorbido, un
fotoelectrón es emitido cerca de la superficie, tal que bkv EEh ; donde hv es la
energía del fotón, Ek es la energía cinética del electrón, Eb es la energía de enlace
(energía necesaria para remover un electrón del primer nivel 1s, y es el trabajo
funcional del espectrómetro; Ref. [12].
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28
Figura 12. Proceso de emisión de fotoelectrones; Ref. [12].
Conociendo la energía del fotón y midiendo la energía cinética con un espectrómetro de
electrones, permite la detección directa de la energía de enlace de los electrones, la cual
es única y puede ser usada para identificar un elemento específico. Debido a que el
camino libre de los electrones es muy pequeño, solo los electrones que son originados en
la capa atómica superior son detectados (no es sensible a: Hidrogeno, Helio); Ref. [12].
Espectroscopia por energía dispersiva (EDS):
Como resultado de la interacción entre electrones de alta energía y una muestra
investigada en un microscopio electrónico, los átomos de esta muestra son llevados a
emitir rayos X; Ref. [I]8.
Un espectrómetro EDS utiliza el hecho que átomos de diferentes elementos químicos
emiten rayos X de energía característica diferente. La evaluación del espectro de energía
recogido por un detector de rayos X Si (Li) dispersivo de energía o SSD permite la
determinación cualitativa y cuantitativa de la composición química de la muestra en la
posición del haz actual; Ref. [I]8.
Este método permite una resolución espacial muy alta porque la información se obtiene
de un volumen de muestra muy pequeño, de unos pocos micrómetros. Por eso, se llama
también microanálisis de rayos X; Ref. [I]8.
Al emplearlo con microscopios electrónicos de barrido, el sistema EDS puede utilizarse
para analizar la distribución de elementos a lo largo de una línea (barrido de línea) o
dentro de una zona de interés (mapeo); Ref. [I]8.
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29
Otra ventaja de la espectroscopia de rayos X dispersiva de energía es que todos los
elementos desde el número atómico 5 (boro) hasta 92 (uranio) contenidos en la muestra
pueden detectarse y analizarse simultáneamente; Ref. [I]8.
2.2.2.6. Densidad aparente
La densidad aparente de un polvo metálico, o el peso de un volumen unitario de polvo
suelto expresado en gramos por centímetro cúbico, define el volumen actual ocupado por
una masa de polvo suelto, la cual afecta directamente parámetros de procesos como el
diseño de herramientas para compactación y la magnitud de los movimientos de prensado
requeridos para compactar y densificar polvo suelto.
En la mayoría de las operaciones de compactación, los dados son llenados por medición
de volumen, y las prensas operan ya sea en una posición fija o en una presión fija. Si
trabaja en una posición fija, la presión puede mantenerse constante solo si la densidad
aparente no cambia. Ahora si la prensa trabaja a una presión fija, la consistencia en la
densidad aparente es necesaria para asegurar que los compactados tengan el mismo
tamaño. Pequeñas fluctuaciones en la densidad aparente pueden ser corregidas a través
de ajustes de la presión o de la carrera de las prensas, pero compactaciones a gran
escala requieren que la densidad aparente de los polvos sea controlada dentro de límites
cerrados; Ref. [12].
Factores que afectan la densidad aparente:
La densidad aparente de un polvo metálico depende de la densidad del material sólido, el
tamaño de partículas, la distribución del tamaño, área superficial y rearreglo de las
partículas. Es afectada en mayor grado por el tamaño de partícula, ya que al reducir el
tamaño aumenta la superficie específica, fenómeno que aumenta la fricción entre las
partículas. Generalmente decrece al decrecer el tamaño de partículas, decrece al tiempo
que la forma de las partículas pasa de esférica a irregular, aumenta la fricción sobre el
área superficial y disminuye la uniformidad de las partículas en el empaquetamiento;
decrece con el incremento de la rugosidad superficial, aumenta o reduce la fricción entre
las partículas; y se controla frecuentemente mezclando varios tamaños de partículas, se
logra un aumento ya que se mejora la eficiencia durante el rearreglo de las partículas;
Ref. [12].
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30
Como se determina:
El método más común para su determinación utiliza el Flujómetro Hall, las normas ASTM
B 212 y la MPIF 04 describen el método de determinación; si los polvos no fluyen
libremente se ha generado un segundo método explicado en las norma ASTM B 417 y la
MPIF 28, este método utiliza el embudo Carney, este método es utilizado para la medición
de polvos que estén mezclados con el lubricante, debido a que este se puede adherir o
taponar el Flujómetro Hall dañando su calibración; Ref. [12].
Figura 13. Dimensiones y esquemas de montaje de los equipos para determinación de la densidad aparente; Ref. [12].
2.2.2.7. Tasa de flujo
Una vez se posean todas las herramientas y maquinas para el proceso de conformación
de los polvos, solo se interpone entre el fabricante y los lotes de partes producidas la
rapidez con la que el polvo va ha fluir al interior del dado, ya que en manufactura de alto
volumen unas bajas características de fluidez causan una alimentación en la prensa lenta
poco uniforme y una dificultad para garantizar que las cantidades con las que se llena el
dado sean iguales. Si se desea saber la fluidez del polvo, esta se puede medir de una
forma sencilla utilizando los métodos (embudos de Hall y Carney, para medición de flujo;
Figura 13) descritos en las normas MPIF 03 y ASTM B 213; Ref. [12, 28].
Descripción del método:
Este método es muy sencillo, consiste en pesar una cantidad de 50 g del polvo el cual es
depositado en el embudo sin que se salga, luego se deja caer en un recipiente y se mide
el tiempo que toma el polvo para fluir a través del embudo bajo condiciones atmosféricas
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31
hacia la cavidad de un contenedor o molde que se desocupe el embudo, luego se dividen
los 50g iniciales sobre el tiempo obtenido y se obtiene la fluidez del polvo en (g/s). El
factor que mas afecta la fluidez de los polvos es la forma de la partícula; Ref. [28].
Factores que afectan:
Las características de flujo son dependientes de varias variables incluyendo (1) fricción
interparticular, (2) forma y tamaño de las partículas, (3) tipo de material, (4) factores
ambientales, (5) peso del volumen; Ref. [12].
Películas de oxido superficial y lubricantes también afectan estas características. En
general tasas de fluidez reducida, son observadas en polvos que exhiben una o más de
las siguientes características:
Baja gravedad especifica.
Baja densidad aparente.
Alto coeficiente de fricción de partículas finas.
Superficie especifica de área alta.
Mezcla compleja de materiales distintos.
Alto contenido de humedad.
Fricción interparticular: la resistencia al flujo depende de principalmente de las
regiones en las cuales una partícula obstaculiza el movimiento libre de otras
partículas, ya sea por contacto directo o indirecto. Esto es determinado
principalmente por el coeficiente de fricción interparticular. Se puede impedir el
movimiento de las partículas por adherencia temporal o por trabamiento.
Forma y tamaño de partícula: Polvos subsieve, aquellos con tamaño de partícula
menor a 44 µm, generalmente tienen tasas de flujo pobres. Por esta y otras
razones los polvos muy finos no son usados para piezas compactadas en prensas
automáticas.
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32
Tipo de material: La mayor influencia es la densidad teórica, al igual que otras
propiedades como propiedades adhesivas y cohesivas de la superficie e
interacciones magnéticas o electroestáticas.
Factores ambientales: Los polvos que sean expuestos a aire con alta humedad,
absorberán esta en la superficie de las partículas, dando como resultado una tasa
de flujo reducida. Temperaturas muy bajas pueden causar que la humedad se
condense; temperaturas muy altas pueden derretir parcialmente los aditivos en la
mezcla. Estas condiciones pueden causar interrupciones en el flujo de material a
través de los sistemas de transporte.
Peso del volumen: Un polvo metálico cuya gravedad específica sea baja, como el
Aluminio, generalmente exhibe tasas de flujo bajas comparadas con polvos cuya
gravedad específica sea mayor como el Hierro. Así mismo entre mayor sea la
densidad aparente de un material mayor será la tasa su flujo.
2.2.2.8. Compresibilidad
Compresibilidad y compactabilidad son palabras que se usan para describir la extensión a
la que una masa de polvo puede ser densificada por aplicación de presión, es decir la
facilidad de prensar un polvo metálico hasta una densidad alta. La compresibilidad de un
polvo es un factor importante para el diseño de herramientas de prensado, densidad
obtenible de una pieza, y el tamaño de la prensa requerido para prensar hasta obtener
esta densidad; el método para su determinación está descrito en las normas MPIF 45 y la
ASTM B331. La compresibilidad de un polvo se ve influenciada por varios factores; Ref.
[12, 28]:
Dureza inherente del material: Algunos metales tienden a endurecerse más
que otros debido al trabajo (deformación) que se lleva a cabo durante el
prensado, es por esto que las características de este endurecimiento tienen
una gran influencia sobre la compresibilidad.
Forma de las partículas: Entre mas irregular sea la forma de las partículas del
polvo, menor es su compresibilidad.
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Porosidad interna: Durante el prensado la porosidad de las partículas tiende a
atrapar aire dentro de estas, aunque el aire es altamente compresible, aumenta
el volumen y contribuye poco en el peso. Polvos no porosos tienen la mayor
compresibilidad.
Distribución del tamaño de partículas: Polvos con un tamaño uniforme
exhiben poca compresibilidad. Mezclas entre tamaños de partículas diseñadas
de tal manera que se ocupe la mayor cantidad de espacios (entre partículas),
tienen una mejor compresibilidad.
Presencia de no-metálicos: La presencia de no metálicos como óxidos
reduce la compresibilidad debido a su dureza y baja gravedad especifica.
Uso de lubricantes sólidos: Debido a su volumen y poco peso los lubricantes
sólidos utilizados para ayudar en el prensado, afectan la compresibilidad ya
que ocupan entre (5 y 7) % del volumen total.
Adición de elementos aleantes: La adición de aleantes como Azufre y
Grafito generalmente degradan la compresibilidad.
2.2.3. Conformación
2.2.3.1. Introducción
La consolidación en metalurgia de polvos a través de conformado y compactación se
refiere a la producción de estructuras metálicas coherentes utilizando polvos metálicos
como materia prima principal. Una vez se hayan producido u obtenido los polvos
adecuados, la consolidación se convierte en el segundo paso vital en el desarrollo de
materiales con microestructura controlada, los cuales son vitales para la ingeniería y
tecnología moderna.
La mayoría de las aplicaciones para la metalurgia de polvos requieren que en el producto
final se obtengan altas densidades. La densificación del polvo puede obtenerse a través
de uno de los siguientes tres métodos: i) Densificar una pieza de baja densidad por medio
de sinterización, ii) Prensar hasta una densidad alta seguido por sinterización, iii)
Sinterizar y prensar simultáneamente usando una técnica de densidad completa. Polvos
que exhiban buena densificación durante la sinterización pueden ser conformados
utilizando presiones bajas, a menudo usando un ligante orgánico. El moldeo por inyección
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es un ejemplo de este proceso. En el conformado por compactación hay dependencia de
una fuente externa para deformar los polvos hasta un componente de alta densidad que
se aproxime a la geometría final. Los medios para transmitir esta presión al polvo, las
restricciones mecánicas, y la tasa de presurización son los principales parámetros de
proceso que determinan la densidad resultante.
En el moldeo por inyección, se usan ligantes para mantener las partículas en su lugar
para trasporte con densificación subsecuente en un horno de sinterización. Varios
métodos de formación están en uso. Son similares respecto a las características del
polvo, formulaciones de ligantes, dispersantes, homogeneidad de la mezcla, reología, y
los efectos de las variables del proceso en la formación. Estas incluyen eyección de
moldeo, fundición de cinta, fundición con deslizamiento, filtración de presión, moldeo de
transferencia, extrusión y disparo congelado. Entre los productos fabricados por estos
métodos se encuentran baterías recargables, brackets ortodóncicos, capacitores de alto
desempeño, filtro porosos, y substratos de convertidores catalíticos. La actividad que más
involucra el uso de ligantes es el moldeo por inyección de polvos (PIM); Ref. [23].
2.2.3.2. Moldeo por inyección de metales o moldeo por inyección de polvos (MIM)
El moldeo por inyección es muy utilizado para producir componentes plásticos de forma
precisa en dados complejos. Dado que las presiones de inyección son bajas es posible
manufacturar componentes complejos. Al mezclar polvos metálicos finos, típicamente con
un tamaño menor a 20 m, esféricos con ligantes en su mayoría polímeros
termoplásticos, pueden producirse componentes metálicos rellenos de plástico con
muchas de las características disponibles en los plásticos moldeados por inyección.
Después de la inyección, el ligante es removido para dejar un esqueleto metálico el cual
es sinterizado a altas temperaturas.
Es posible lograr control dimensional en el componente a sinterizar ya que la densidad del
inyectado es uniforme por lo tanto la contracción durante el sinterizado es uniforme
también. La contracción puede ser grande debido tanto al tamaño de las partículas, como
a la proporción substancial del ligante polimérico utilizado; Ref. [23, 24].
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35
Etapas Del Moldeo Por Inyección De Metales (MIM):
Figura 14. Esquema del flujo conceptual del proceso (MIM); Ref. [24].
Formulación de una mezcla polvo-ligante “Feedstock”:
La mezcla pelletizada de polvo y ligante usada en el moldeo por inyección se denomina
feedstock. Cinco factores determinan los atributos del feedstock: las características del
polvo, la composición del ligante, la razón polvo/ligante, el método de mezcla y la técnica
de pelletización.
Los polvos ideales para usar en MIM deben ser pequeños, su tamaño debe encontrarse
encuentra entre 0.5 y 20 m con un D50 (Diámetro medio) entre 4 y 8 m, con formas
esféricas o casi esféricas para poder lograr un mojado completo de las partículas (ligante
ocupe espacios y rodee las partículas), y para ayudar durante la sinterización, las
partículas deben estar libres de vacíos, no deben aglomerarse, deben poseer un ángulo
de reposo por encima de 55º, deben tener una toxicidad y peligro de explosión bajos, una
superficie limpia y segregación mínima.
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36
Tabla 4. Polvo ideal; Ref. [24]
Características de los polvos y sus efectos en MIM
Ventajas Desventajas
Tamaño de partícula pequeño Sinterización más rápida.
Menores defectos de moldeo.
Retención de la forma.
Remoción de ligantes lenta.
Más costosos.
Más contaminación.
Mayor contracción durante
sinterización.
Mayor viscosidad de la mezcla.
Más aglomeración.
Forma esférica Mayor densidad de
empaquetamiento.
Menor viscosidad de la mezcla.
Flujo mejorado.
Menor resistencia.
Rechupe durante remoción de
ligantes.
Mayor costo.
Distribución de tamaño amplia. Mayor densidad de
empaquetamiento.
Menor contracción durante
sinterización.
Más problemas de calidad.
Microestructura in-homogénea.
Remoción de ligantes lenta.
Más segregación propensa al
tamaño.
Idealmente el diseño adecuado del feedstock considera la facilidad del moldeo y la
necesidad de lograr control sobre las dimensiones finales. Para lograr este balance, se
utilizan polímeros de bajo peso molecular en el feedstock para reducir la viscosidad y
facilitar el moldeo. Dentro del feedstock no se encuentran espacios vacíos o poros ya que
la cantidad de ligante es suficiente para llenar todos los espacios interparticulares.
Cuando sea posible, se debe seleccionar un polvo tal que se obtenga una alta densidad
de empaquetamiento; Ref. [24].
En cuanto a la selección del ligante (mezclas termoplásticos de polímeros, ceras, aceites,
lubricantes y surfactantes), es importante tener las propiedades de flujo correctas para
obtener formas moldeadas libres de esfuerzos y de vacíos. Los mejores resultados se
obtienen con una formulación de ligante que tenga un punto de cedencia consistente con
la forma, el tamaño y la estabilidad dimensional de la pieza moldeada, en otras palabras
la formulación Polvo - Polímero debe tener características de un fluido de Bingham (no
fluye a menos de que el esfuerzo cortante alcance un valor critico) o uno Pseudoplástico
(viscosidad decae con la tasa de esfuerzo cortante), También el ligante debe ser fácil de
degradar y de extraer; Ref. [23].
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37
El papel del ligante es servir como un vehículo temporal para empacar homogéneamente
a un polvo hacia una forma deseada y manteniendo las partículas en esa forma hasta el
comienzo de la sinterización; Ref. [23].
Tabla 5. Atributos ligante ideal; Ref. [23]
Atributos de un ligante ideal.
Características de flujo. Viscosidad por debajo de 10 Pa*s a temperatura del molde. Bajo cambio de viscosidad con cambios de temperatura durante el moldeo. Rápido cambio en la viscosidad durante el enfriamiento. Fuerte y rígido después del enfriamiento. Moléculas pequeñas para que quepan entre las partículas y evadan orientación durante el flujo. Mínima orientación del flujo.
Interacción del polvo. Bajo ángulo de contacto. Adherencia con el polvo. Químicamente pasivo, aun bajo alto cortante y a altas temperaturas. Estable térmicamente durante mezcla y moldeo.
Remoción de ligantes. Múltiples componentes con características que difieran. No corrosivo, no toxico durante su descomposición. Bajo contenido de ceniza, bajo contenido metálico. Temperatura de descomposición por encima de las temperaturas de mezcla y moldeo. Remoción completa pero el polvo debe mantener rigidez estructural.
Manufactura. Barato y disponible. Seguro y aceptable ambientalmente. Larga vida de almacenamiento, baja absorción de agua, componentes no volátiles. No degradarse bajo calentamiento cíclico (reutilizable). Alta lubricidad, Alta resistencia y rigidez, alta conductividad térmica. Bajo coeficiente de expansión térmica. Soluble en solventes comunes, longitud de cadenas cortas y no orientación.
El ligante usualmente tiene tres componentes, un polímero columna vertebral que provee
la resistencia, una fase llenadora que es fácilmente extraíble en la primera fase de la
remoción de ligantes, y un surfactante que sirve de puente entre el ligante y el polvo. Una
clasificación general muestra que son al menos 5 los tipos de ligantes utilizados en MIM,
la mayoría son polímeros; Ref. [23]. Se encuentran categorizados como se muestra a
continuación:
Compuestos termoplásticos.
Compuestos termoestables.
Sistemas basados en agua.
Sistemas basados en congelación.
Inorgánicos.
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Razón polvo / ligante:
La razón polvo/ligante determina en gran medida el éxito o el fracaso del proceso
subsecuente. Tres posibles situaciones se pueden observar en la Figura 15. Una pequeña
cantidad de ligante resulta en alta viscosidad y bolsas de aire atrapado que dificultan el
moldeo. A medida que se diminuya la concentración de ligante, se encuentra una
composición crítica después de la cual la viscosidad es muy alta y se forman espacios
vacíos dentro de la mezcla. La mayoría de los feedstocks se formulan con una cantidad
de polvo un poco menor a la carga critica sólida. La carga crítica sólida es la composición
donde las partículas están empacadas lo más firmemente posible sin presión externa y
todos los espacios entre partículas están llenos de ligante. Con más polvo (menos ligante)
no se puede prevenir la generación de vacíos lo que lleva a un moldeo difícil. Durante la
remoción de ligantes, estos vacíos causan agrietamiento. Por el contrario, si hay una gran
cantidad de ligante el exceso de este se separa del polvo durante el moldeo, generando
in-homogeneidad en el componente debido a una película delgada (material en exceso)
que se forma entre la pieza y las paredes del dado.
Figura 15. Tres posibles situaciones en la mezcla polvo/ligante; a) exceso de ligante, b) critica, c) Exceso de polvo; Ref. [24]
Modelo para determinación de carga sólida crítica; Ref. [25, 26]:
Como punto de inicio se necesitan definir tres conceptos. La carga sólida ( ) es la razón
volumétrica de polvo sólido con respecto al volumen total de la mezcla,
Ecuación 1. Carga sólida; Ref. [24]
Donde Wp y Wb son las fracciones de peso de polvo y ligante respectivamente, y p b
son las densidades del polvo y el ligante respectivamente. A menudo la carga sólida es
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39
expresada en una fracción de volumen, y valores alrededor del 60 % son comúnmente
usados en MIM, pero para propósitos de de manufactura, la formulación del feedstock
está dada en fracción de peso wt. %.
Figura 16. Cambios de densidad y viscosidad en las cargas sólidas, correlacionando el punto máximo de densidad en la carga critica sólida con el punto donde la viscosidad se vuelve efectivamente infinita; Ref. [24].
El segundo concepto se relaciona con la carga crítica sólida. Es un parámetro
determinado experimentalmente el cual varía con cada sistema polvo/ligante. La carga
sólida crítica corresponde a las partículas frotándose unas contra otras, así que la mezcla
está libre de vacíos, pero tiene una viscosidad muy alta. Corresponde a la condición (b)
de la Figura 15 y corresponde a la densidad máxima de la mezcla.
Finalmente, la carga sólida óptima para el moldeo tiene menos polvo que la carga sólida
crítica. En este punto el feedstock tiene una viscosidad lo suficientemente baja para
moldear, pero exhibe buen contacto partícula-partícula con lo que se asegura la
preservación de la forma durante el procesamiento. El pequeño exceso de ligante que
está por encima de aquel de la carga sólida es el que provee la lubricación necesaria para
el moldeo. Correspondiente a cada carga sólida hay una densidad de mezcla m que
depende de la densidad teórica del polvo p y la densidad del ligante b,
Ecuación 2. Densidad de la mezcla; Ref. [24]
Ya que la carga sólida está por debajo de la condición crítica (exceso de ligante).
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40
Por medio de estudios reológicos, se sabe que el incremento de la carga sólida ( )
aumenta la viscosidad ( ). Para el modelamiento se asume que las partículas de polvo
son esféricas, rígidas, y no interactúan entre si en una solución diluida.
Para describir el comportamiento entre ( - ) Einstein propuso la siguiente formula r=
(1+2.5 ), donde ( r) es la viscosidad relativa definida como una razón de la viscosidad de
la suspensión con la viscosidad del medio de suspensión. Para el modelo la siguiente
ecuación fue planteada:
2
1
m
r
La cual fue editada añadiendo un parámetro A que relaciona la configuración de
empaquetamiento con un llenador de geometría arbitraria:
21
Ar
El coeficiente A depende del tamaño de las partículas y típicamente es cercano a 1. El
defecto que tenia esta relación es que es apta solo para esfuerzos cortantes mayores a
103 Pa. Por esta razón esta ecuación es generalizada para que sea aplicable para todas
las regiones del esfuerzo cortante Baja, Media, Alta:
n
m
m
rn
1
Donde n es un parámetro dependiente de la suspensión que es igual a 2 para altas tasas
de esfuerzo cortante, [ ] viscosidad = 2.5 para de polvo esféricas, rígidas, y no
interactúan entre si en una solución diluida.
Para el uso de estas ecuaciones es necesario conocer los valores de m (carga crítica) o
de A.
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41
Aunque m puede ser calculado por sedimentación o teóricamente, los valores obtenidos
no tienen buena confiabilidad razón por la cual el valor de m debe ser calculado por
análisis reológico en sistemas realísticos.
La relación entre la viscosidad y las ecuaciones de concentración se puede dar en la
forma básica:
)(11
fnr
Un análisis extensivo revela una relación lineal entre )(11
ynr , utilizando las
ecuaciones 3 y 5 la se puede expresar una nueva ecuación (6) de la siguiente forma:
bar2
1
1
A es la pendiente y b el punto de corte de la recta, cuando se acerca a m, 2
1
r = 0, por
lo cual m = (1-b)/a. Obteniendo los valores de a y b por medio de la relación 2
1
1 r ,
el modelo puede reacomodarse de la siguiente forma:
2
mr a
En forma general es: n
mr a , r = m / b; para metales m es la viscosidad la
mezcla (polvo metálico y ligante), b es la densidad del ligante y n = 2 debido a la tasa de
esfuerzo cortante, la ecuación para determinar la carga critica de sólido a partir de las
viscosidades es:
r
m
m
r
n
mb
m
mbm
a
a
a
a
11
1
1
1
2
2
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42
Mezcla del feedstock para MIM:
Una vez se hayan seleccionado tanto el polvo como el ligante, la preocupación está en la
mezcla de estos ingredientes. La uniformidad en el feedstock es crucial, ya que la mayoría
de las in-homogeneidades no pueden ser corregidas durante los subsecuentes pasos del
proceso. La mejor mezcla ocurre con un esfuerzo cortante alto, pero no hasta el punto
donde el trabajo de la mezcla daña las partículas y sobrecalienta el ligante. Un material
mezclado apropiadamente consiste en una dispersión homogénea de polvo en el ligante
sin porosidad interna o aglomerados. Las in-homogeneidades resultan en viscosidades no
uniformes, moldeo desigual, y dificultades en la sinterización; estas in-homogeneidades
se presenta de dos maneras separación del ligante del polvo y segregación; Ref. [24].
La mejor medida para determinar la homogeneidad es la viscosidad y su variación durante
la prueba, durante la mezcla la acción inicial es romper los racimos de partículas por
cortante. Con una mezcla continua, el tamaño de los racimos disminuye mientras los
racimos se subdividen y el ligante se dispersa entre las partículas.
El torque de mezcla puede ser utilizado para decidir la homogeneidad durante la mezcla,
donde la resistencia a cortante continúo contra tiempo de mezcla es determinado. El
torque decrece con la separación de los aglomerados y con una mejor dispersión del
ligante en la mezcla. Una vez se estabiliza el torque ya no hay mas incremento de la
homogeneidad con un mayor tiempo de mezcla, sin embargo la contaminación aumenta
con el tiempo de mezcla, razón clave para utilizar tiempos de mezcla cortos (figura 17);
Ref. [24].
Figura 17. Torque de mezcla como función del tiempo de mezcla a varios niveles de carga sólida. Una vez se sobrepasa la carga crítica sólida, la carga excesiva hace inestable la mezcla; Ref. [24].
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43
Usualmente son posible dos rutas para la mezcla del feedstock, mezclar en seco el polvo
y el ligante seguido por la entrada en forma de premezcla a un compositor, o calentando
el ligante en un compositor y adicionándole el polvo al ligante fundido.
Debido a que el feedstock es sensible a la tasa de esfuerzo cortante, el diseño del
mezclador es importante para asegurar una mezcla uniforme sin contaminación. Para
lograr esto, diseños de mezcladores de alto esfuerzo cortante son utilizados para la
preparación del feedstock. Estos incluyen el doble planetario, extrusora de tornillo simple,
extrusora de embolo, extrusora de leva gemela, y mezclador de cuchilla sigma (Figura
18); Ref. [24].
Figura 18. Esquemas de geometrías de mezcladores típicos: extrusoras de tornillo doble y sencillo, leva gemela, cuchilla sigma, doble planetario, extruzora de embolo; Ref. [24].
Después de esto la mezcla puede ser triturada o cortada en pequeños fragmentos
(pellets) adecuados para ser introducidos en la tolva de una maquina de moldeo. Hay dos
metas en la pelletización del feedstock. La primera es preparar racimos de polvo y ligante
que puedan ser alimentados automáticamente a la maquina de moldeo. La segunda es
incorporar material reciclado de vuelta al proceso de moldeo; Ref. [24].
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44
Mecanismos típicos para la extracción de ligantes:
Degradación térmica (Termal debinding); Ref. [27]:
Degradación térmica controlada por difusión: El ligante se descompone
térmicamente hacia una especie de bajo peso molecular como: agua, metano,
monóxido de carbono o dióxido de carbono; y dado a que la trayectoria libre del
medio en este caso es mayor que la dimensión de lo poros, el ligante es retirado
subsecuentemente por difusión.
Degradación térmica controlada por permeación: El ligante se descompone
térmicamente hacia una especie de bajo peso molecular como: agua, metano,
monóxido de carbono o dióxido de carbono; dado a que la trayectoria libre del
medio en este caso es menor que la dimensión de lo poros la presión del gas es
mayor limitando la tasa de degradación a causa de la colisión entre moléculas; el
ligante es retirado subsecuentemente por permeación.
Degradación térmica controlada con “Wicking” (extracción por capilaridad):
El polvo compactado es colocado en un substrato (Fieltro “wick”) y calentado a una
temperatura donde la viscosidad del ligante es lo suficientemente baja para que
ocurra un flujo capilar. El ligante puede ser almacenado en el substrato o puede
evaporarse de la estructura mas abierta del poro del substrato.
Por solvente: El potencial de este método deriva del alto nivel de solubilidad del
ligante en los solventes, que en muchas maneras se parecen a los gases. Mas allá la
viscosidad es baja, la difusión es alta, y la tensión superficial es mínima; Ref. [25].
Supercrítica: Se entra a una condición supercrítica donde se utilizan fluidos que tiene
un coeficiente de difusión similar al de un gas, una solubilidad similar a la de un
líquido, pero no tiene tensión superficial evadiendo la atracción capilar, causando que
la parafina se difunda y disuelva fácilmente, los componentes de mayor viscosidad
requieren tiempos mas largos de remoción de ligantes. La siguiente grafica muestra el
esquema del aparato de extracción; Ref. [25]:
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45
Figura 19. Esquema aparato para extracción supercrítica; imagen recuperada de http://sfpl.snu.ac.kr/scf%20information/photo/extraction/49-1.gif
Pirolisis; Ref. [25]: En este proceso térmico se quema el ligante, en este caso para
evitar la oxidación se realiza en atmósferas inertes o reductoras.
Para tener éxito en esta etapa las variables de proceso que se deben controlar durante
los métodos de extracción son:
El diámetro de la partícula de polvo (D).
La porosidad (E).
La permeabilidad (A).
El espesor de la sección (H)
La viscosidad (G).
La caída de presión (P, Po).
La temperatura (T).
El ángulo de contacto (V).
El área superficial (S).
Atributos del proceso:
El proceso MIM es aplicado en la producción de componentes de alto rendimiento y
formas complejas. El carácter hidrostático de formación del MIM minimiza los gradientes
de densificación. Generalmente la aplicación del MIM es viable para todas las formas que
puedan ser formadas a través del moldeo por inyección de plásticos, especialmente para
piezas pequeñas con geometrías complejas; Ref. [23].
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46
Figura 20. Diagrama de Venn (MIM/PIM); Ref. [23]
2.2.3.3. Conformado por compactación
La compactación en herramientas rígidas es el método mas utilizado para lograr formas
en la metalurgia de polvos. Esto se debe a que ningún otro método de formado a logrado
igualarlo en velocidad, precisión dimensional, y economía para productos similares; Ref
[12].
Dentro de este proceso las mayores técnicas a través de las cuales se compactan polvos
por aplicación de fuerzas externas son:
Prensado de polvos en dados rígidos (compactación convencional).
Prensado isostático en frió y en caliente de polvos en moldes flexibles.
Laminado de polvos.
Extrusión de productos hechos de polvos metálicos.
Solo las primeros dos técnicas serán discutidas.
Fenomenología de la compactación:
Este es un proceso asistido por aditivos los cuales gracias a su fluidez proporcionan
lubricación al proceso de conformado de las partículas. De todas formas, las partículas no
pueden empacarse más cerca que aproximadamente la densidad de batida.
Este proceso se desarrolla en tres etapas. En la primera las partículas se reacomodan
eliminando parcialmente los espacios vacíos que se encuentran entre ellas, eliminando la
porosidad. Gracias a que se generan nuevas zonas de contactos entre las partículas
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47
En la segunda todavía hay reacomodamiento de las partículas, pero esta etapa involucra
las deformaciones elásticas y plásticas de las partículas. En esta etapa se generan aún
mas zonas de contacto entra las partículas, estos puntos de contacto sufren deformación
elástica, debido a esto la pieza compactada almacena energía elástica residual. Una
mayor presión aplicada incrementa la densidad por agrandamiento de los contactos por
deformación plástica (colapsan los espacios). La cantidad de deformación plástica
depende de la ductilidad del material del polvo. La deformación es más extensiva en la
compactación de partículas que estén hechas de un material dúctil que en partículas de
un material cerámico. Incluso en polvos compuestos de un mismo material dúctil, la
densidad obtenida en un compactado “verde”, puede variar considerablemente. Esto
resulta por que las partículas se endurecen por la deformación plástica. Lo mismo ocurre
con partículas que tengan porosidad interna.
En la tercera etapa las partículas de polvo que sean inherentemente frágiles o que se
hayan fragilizado debido a la deformación que sufrieron, se fracturan bajo la carga
aplicada formando fragmentos mas pequeños.
Durante la deformación, en las zonas de contacto se genera una soldadura en frió que
contribuye en el desarrollo de la resistencia del verde; Ref. [12, 23].
La siguiente Figura muestra el diagrama conceptual de los pasos en compactación:
Figura 21. Diagrama de flujo del proceso de compactación; Ref. [23]
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48
Lubricantes:
La fricción entre las paredes del dado y el polvo durante el prensado es un problema
fundamental. A medida que aumenta la presión de compactación, la eyección de la pieza
compactada de la herramienta se vuelve difícil. Consecuentemente, se utilizan lubricantes
para facilitar la eyección y minimizar el desgaste del dado.
Figura 22. Micrografía por escaneo de electrones de un lubricante antes de ser mezclado con el polvo; Ref. [9]
Hay dos medios para lubricar un prensado; pared del dado y lubricación del polvo. La
lubricación del polvo se consigue mezclando un lubricante polimérico como el que se
puede observar en la figura 22, con el polvo antes de la compactación, La lubricación de
las paredes del dado es la mejor en teoría, pero no es fácil de incorporarla a un equipo de
compactación automático (entre cada carrera). Se han diseñado unidades de spray para
cargar las partículas del lubricante con electricidad estática para adherirlas
electrostáticamente a las paredes del dado. Este tipo de lubricación tiene como ventaja
una mejora en la resistencia del verde ya que no hay presencia de una película polimérica
interna que evita la unión polvo-polvo. Al mismo tiempo la lubricación de la pared
disminuye la velocidad de llenado del dado, ya que el lubricante también disminuye la
fricción de deslizamiento entre las partículas. En el caso de utilizar el método de mezcla,
la concentración típica se encuentra entre 0.5 – 0.6 wt%, pero puede variar entre 0.3 a 1.5
wt%; Ref. [9, 23].
Tipos de lubricantes:
Actualmente se utiliza una gran variedad de lubricantes, incluyendo esteratos, ácido
esteárico, politetrafluoro-etileno (Teflón), fluoruro de polivinilo, e incluso ceras. Las
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49
moléculas de los lubricantes se descomponen durante la sinterización, pero algunos dejan
como residuo escoria producto de la degradación, esto es indeseable ya que son
contaminantes que afectaran las propiedades mecánicas de la pieza.
Los lubricantes más comunes se encuentran identificados en la Tabla 6,
Tabla 6. Lubricantes comunes y sus características; Ref. [9]
Son moléculas poliméricas tienen un total de 12 carbonos o más, y se funden a
temperaturas relativamente bajas; la mayoría tiene un tamaño de partícula que varia en
un rango de 5-30 m.
La química de los lubricantes tiene un efecto sobre las propiedades de la pieza sinterizada
y algunas diferencias en la compactación. Un ejemplo de esto es dado por la Figura 23,
donde son comparadas la densidad del sinterizado y su resistencia para un acero aleado
con 0.6 %wt de dos lubricantes mezclados (Acrawax y Teflón), contra una lubricación en
la pared del dado.
La diferencia entre las densidades es pequeña, pero la diferencia entre las resistencias en
el sinterizado está alrededor de un 15%; en algunos estudios se han medido diferencias
de hasta un 40%, debido a cambios en el lubricante; Ref. [9,23].
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50
Figura 23. Comparación de los efectos del lubricante sobre la densidad sinterizada y la resistencia de un acero aleado compactado a 690 MPa y sinterizado a 1265ºC; Ref. [9]
Efectos de los lubricantes sobre la compactación:
El uso de grandes concentraciones de lubricantes hacen decrecer la densidad aparente,
el lubricante ocupa un volumen relativo mayor, al mismo tiempo que también disminuye la
tasa de flujo.
En la etapa de la pieza en verde (después de la compactación, antes de la sinterización),
los lubricantes pueden reducir la resistencia de esta.
En general la lubricación tiene un efecto mezclado en la relación presión-densidad. Para
pequeñas cantidades de lubricante en el contenido, la densidad del verde aumenta debido
a que facilita el deslizamiento de las partículas, reduciendo la fricción. De todas formas la
cantidad óptima de lubricante decrece a medida que la presión de compactación aumenta,
esto ya que el lubricante ocupa volumen que inhibe la compresión de las partículas. Como
alternativa, la fuerza de eyección decrece continuamente mientras se incrementa la
cantidad de lubricante, y típicamente se encuentra en un rango que va de 20-25 MPa (3-4
Kpsi) al comienzo del deslizamiento, pero cae de 10-15 MPa (1.5-2 Kpsi) cuando el
compactado comienza a moverse.
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51
Figura 24. Gráficas comparativas del efecto del lubricante sobre: Densidad aparente, Tasa de flujo, y Densidad del verde; Ref. [23]
Una gran justificación para utilizar lubricante es la presión que ejerce el compactado sobre
las paredes del dado debido a la energía almacenada por la deformación de las
partículas, que genera un desgaste sobre las herramientas pese a que son duras y
fuertes, y el compactado sea débil. Los lubricantes reducen la fuerza necesaria para la
eyección de la pieza (Ver. Figura 25), disminuyendo el desgaste. A medida que la dureza
del polvo aumenta también lo hace la cantidad de lubricante requerida.
La buena selección del lubricante es importante no solo por las razones anteriormente
mencionadas, sino que también al eyectarse la pieza se genera un fenómeno conocido
como “Springback”, termino que quiere decir que el compactado eyectado tiene un
tamaño mayor al de la cavidad del dado debido a una relajación elástica; valores típicos
de esta expansión están dentro del siguiente rango 0.01-0.5 %.
Esta expansión puede causar que el compactado se agriete en forma laminar
perpendicular a la dirección de la aplicación de la presión, ya que el lubricante pudo crear
una película que evitara una unión por soldadura fría entre las partículas. La grieta suele
suceder cuando la parte superior del compactado está siendo eyectada y la inferior aun
esta dentro de la cavidad del dado, todo esto genera un esfuerzo diferencial que conlleva
a la generación de la grieta (Ver 33); Ref. [9, 23].
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52
Figura 25. Variación de la presión de eyección dependiendo de la cantidad de lubricante (wt% Esterato de zinc); Ref. [9]
Figura 26. Esquema que muestra una situación donde se presenta el fenómeno “Springback”; Ref. [9]
Técnicas de compactación:
Compactación convencional:
La compactación convencional se efectúa aplicando presión a lo largo de un eje usando
herramientas de material duro (punzones), La Figura 27 muestra un esquema de esto, y
en la Figura 28, se puede observar un esquema de la secuencia de los movimientos de
estas herramientas durante el ciclo de compactación.
Figura 27. Juego convencional de dado y punzones para compactación de polvos; Ref. [23]
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53
Figura 28. Movimientos de la herramientas durante el ciclo de compactación de polvo; Ref. [23]
El dado provee la cavidad en la cual el polvo es prensado, y le brinda restricción lateral.
La mayoría de las compactaciones se hacen utilizando ambos punzones, el superior y el
inferior. El superior es retraído durante el llenado de la cavidad, mientras que el segundo
es posicionado de tal manera que se defina la cantidad del llenado; cualquier variación en
el flujo o el empaquetamiento de los polvos durante el llenado resultan en variaciones de
peso en las piezas compactadas. La posición de llenado difiere de la del punzón inferior
durante la presurización para permitir que la compactación de la pieza se desarrolle en el
centro del dado.
Una vez se llena la cavidad el punzón inferior regresa a su posición inicial, y el superior es
traído al interior del dado. Ambos punzones son cargados para generar esfuerzo en el
interior de la masa de polvo. En el final de la carrera de la compactación el polvo
experimenta el esfuerzo máximo. Finalmente el punzón superior es retraído de nuevo,
permitiéndole al punzón inferior eyectar la pieza. El ciclo se repite nuevamente con otro
llenado de polvo.
Se debe resaltar que aunque las imágenes anteriores muestran punzones simples, estos
pueden tener formas complejas si la pieza lo requiere, además se pueden posicionar
barras en el interior de estos para formar agujeros o pasos en el compactado.
Generalmente en este proceso el desgaste es un problema, pero se controla
adicionándole lubricante al polvo.
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Cuando la presión es transmitida por ambos punzones, se le refiere al proceso como
prensado de doble acción. Si la presión es transmitida solo por uno de los punzones, se le
refiere como prensado de acción simple. Un dado flotante es en el que el movimiento
relativo de los punzones y el dado es tal que ambos punzones trabajan en contra del
centro del dado simultáneamente, esto le da mayor uniformidad al prensado de polvos.
Figura 29. Acciones de prensas; Ref. [28]
Después de la compactación, el compactado debe ser removido de la cavidad del dado.
La fuerza ejercida para esto es llamada fuerza de eyección. Es en este momento donde el
efecto de la lubricación del polvo es más pronunciado. La energía elástica almacenada en
el compactado hace que este haga presión sobre las paredes de la cavidad del dado, esto
genera un desgaste considerable en el dado. La fuerza de eyección disminuye con el
incremento de lubricante; Ref. [23, 28].
Fundamentos de la compactación convencional:
Para simplificar las cosas se considera un compactado de forma cilíndrica con diámetro D
y altura H como se ve en la figura 30.
Figura 30. Balance de fuerzas durante compactación en dado; Ref. [23]
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55
Analizando una pequeña sección de altura dH donde hay una presión externa, la presión
en la parte superior del elemento P y la presión en la parte inferior Pb difieren por la
fuerza normal actuando contra la fricción. Matemáticamente el balance de fuerzas puede
ser expresado de la siguiente forma:
Ecuación 3. Eq 6.7; Ref. [23]
Donde Fn es la fuerza normal, u es el coeficiente de fricción entre polvo y pared del dado,
y A es el área transversal. La fuerza normal se puede dar en términos de la presión
aplicada con una constante proporcional z que varíe con la densidad del compactado. Ese
factor representa la razón del esfuerzo radial al esfuerzo radial, por lo tal:
Ecuación 4. Eq 6.8; Ref. [23]
La fuerza de fricción Ff se calcula directamente de la fuerza normal y el coeficiente u.
Ecuación 5. Eq 6.9; Ref. [23]
Combinando términos se obtiene la diferencia de presión entre la parte superior e inferior
del elemento dP como:
Ecuación 6. Eq 6.10; Ref. [23]
Integrando con respecto a la altura del compactado, se obtiene la presión en cualquier
posición x por debajo de los punzones como sigue:
Ecuación 7. Eq 6.11; Ref. [23]
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Esta ecuación es aplicable sin ninguna restricción al prensado de acción simple y Muestra
como la presión decrece con la profundidad de la cama de polvo. Si el prensado es de
doble acción la Ecuación 7 también se puede usar, pero la distancia x es ahora la
distancia al punzón mas cercano. En cualquiera de los casos, el decaimiento de la presión
depende de la razón altura a diámetro (H/D) del compactado. Con un diámetro
decreciente, la presión decrece más rápido con la profundidad. Por lo tanto, para una
compactación homogénea, son deseables valores pequeños de la razón altura a
diámetro. En el caso de fabricar piezas de geometrías sencillas, se pueden aplicar las
siguientes ecuaciones para estimar el esfuerzo promedio de compactación:
Ecuación 8. Eq. 6.12, Esfuerzo para prensado de acción sencilla; Ref. [23]
Ecuación 9. Eq. 6.13, Esfuerzo para prensado de acción doble; Ref. [23]
El esfuerzo promedio es dependiente de la razón (H/D) (siendo esta la más importante),
de la distribución radial de presión (z), y la fricción en la pared del dado (u). En piezas
cortas con diámetros grandes y buena lubricación de las paredes del dado, se pueden
alcanzar altos valores de esfuerzo promedio. Para piezas más grandes, se pueden utilizar
otras tecnologías como Hot Isotactic Pressing (HIP) y Cold Isotactic Pressing (CIP), las
cuales evitan el problema de la fricción; Ref. [23].
CIP (Cold Isotactic Pressing) prensado isotáctico en Frío:
A diferencia del HIP el CIP utiliza bajas temperaturas y líquidos, como el agua, como
medio para la aplicación de la presión, para compactar isotácticamente el material y
conformarlo en diferentes formas. Este proceso utiliza presiones generalmente por
encima de 98MPa.
Existen dos métodos de CIP, el primero conocido como proceso de bolsa mojada (wet-
bag) en el cual el polvo se encuentra encerrado en una bolsa de caucho, es sumergido
directamente al medio de alta presión, y el segundo método se conoce como proceso de
bolsa seca (dry-bag) donde el trabajo de prensado se logra a través de moldes de caucho
que se encuentran en el interior del recipiente a presión.
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Figura 31. Esquemas de procesos CIP, Derecha: proceso de bolsa mojada. Izquierda: proceso de bolsa seca; Ref. [I]2
Al igual que el HIP este proceso puede lograr proceso de una homogeneidad alta y una
densidad muy cercana a la teórica. Debido a que la única restricción sobre el tamaño del
material y la forma de la pieza es que quepa dentro del recipiente a presión, esta puede
ser moldeada siempre y cuando el molde pueda ser manufacturado, pero gracias a la
gran flexibilidad de esta tecnología se ha expandido la posibilidad de tamaños y formas;
Ref. [I]1
HIP (Hot Isotactic Pressing) prensado isotáctico en caliente:
El proceso HIP provee un método para producir componentes a partir de materiales
particulados ya sean metales o cerámicos, durante el proceso de manufactura la mezcla
del polvo se introduce en un recipiente, típicamente de acero. Este contenedor es sujeto a
alta temperatura y vació para retirarle al polvo la humedad y el aire que tenga. Hecho esto
el recipiente se sella y es sometido a un (HIP), por medio de la utilización de un fluido
(usualmente un gas inerte) como medio para la aplicación de la presión. Esta presión y las
altas temperaturas ayudan a la disminución de espacios vacíos internos (poros) y a la
generación de enlaces metalúrgicos fuertes a través del material. El resultado es una
pieza homogénea con una distribución uniforme en el tamaño de los granos y una
densidad casi del 100% de la teórica; Ref. [I]1.
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Ventajas del HIP:
Debido a la porosidad reducida los materiales procesados por (HIP) tienen una mejora en
las propiedades mecánicas y una mayor funcionalidad. Se pueden obtener características
que no son obtenibles por otros métodos convencionales como fundición y soldadura,
ejemplos de estas características son: Eliminación de gran parte de espacios vacíos
internos, enlaces firmes y limpios, y microestructuras finas y firmes.
La virtual eliminación de los espacios vacíos incrementa el funcionamiento y aumenta la
resistencia a la fatiga.
Otra gran ventaja es la habilidad de producir piezas (near-net shape) que requieren pocos
pos-procesos de maquinado para darle el acabado, además de utilizar como en todos las
técnicas de producción en metalurgia de polvos, entre un 80 y 90 % de la materia prima
(en el mecanizado solo se utiliza entre un 10 y 30 % de la materia prima).
Cabe resaltar que este proceso también puede utilizarse para aplicar recubrimientos.
Donde el costo se reduce gracias a que el material de recubrimiento se puede colocar
solo donde es necesario sin incurrir en costos innecesarios debido al desperdicio de este
material; Ref. [I]1.
2.2.4. Sinterización
2.2.4.1. Introducción
El uso de polvos como materia prima permite obtener o fabricar piezas de alta
complejidad, con formas casi finales (near net shape) o finales, por medio de procesos de
conformación incluyendo compactación e inyección de polvos. Sin embargo las
propiedades de estas piezas son muy bajas y no sirven para aplicaciones en la industria,
es por esta razón que subsecuentemente al proceso de conformado se le debe aplicar a
las piezas un tratamiento de cocción conocido como sinterización, que se lleva a cabo en
temperaturas menores a la temperatura de fusión del material, para que las partículas
que se encuentran adheridas gracias a la deformación plástica o con ayuda de algún
agente externo “ligante”, se unan por medio de fenómenos difusivos logrando que las
piezas tengan así las propiedades deseables. Estas mejoras en las propiedades son
consecuencia del aumento de la densidad final de las piezas gracias a la reducción que
sufre la energía libre de superficie de las partículas; esta energía es relativamente grande
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59
ya que la razón de área superficial / volumen de las partículas es igualmente grande
debido al minúsculo tamaño que estas tienen.
Al mismo tiempo que se genera la unión entre las partículas, la estructura de los poros
sufre cambios significativos. Es por esto que es necesario estudiar y observar los cambios
micro-estructurales del material durante el proceso para poder comprender la evolución
de las propiedades.
Como consecuencia negativa del proceso se debe mencionar que de haber sobre-
sinterización las propiedades alcanzaran un pico y después decaerán con un
calentamiento continuo, por tiempos más largos y temperaturas mayores.
El aumento mencionado de la densidad está acompañado de una contracción
dimensional. Las partículas se atraen unas a otras colapsándose reduciendo la energía
libre de superficie eliminado porosidad. Lo ideal y deseado es no sufrir cambios
dimensionales en muchos componentes, esto puede lograrse a través de la utilización de
presiones para controlar la densidad y disminuir tanto la temperatura de sinterización
como la contracción dimensional.
La siguiente figura muestra el esquema general del proceso de sinterización:
Figura 32. Diagrama general de los diversos procesos de sinterización; Ref. [22].
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60
2.2.4.2. Conceptos de sinterización
Las temperaturas a las cuales se lleva a cabo la sinterización se encuentran entre 1/2 y
2/3 de la temperatura de fusión. La unión que se da entre las partículas ocurre gracias a
fenómenos difusivos de transporte atómico en estado sólido, pero en muchos casos
también hay presencia de una fase líquida; es un fenómeno de transporte de masa
producido por el trayecto del movimiento de los átomos. Los mecanismos de transporte
determinan el flujo de masa en respuesta a las fuerzas conductivas.
Los mecanismos de transporte se dividen en dos clases:
Transporte superficial: En este transporte se genera el crecimiento de un cuello que
une las partículas, no hay cambios en el espaciamiento de las partículas, es decir no
hay contracción dimensional ni densificación debido a que el flujo se genera y termina
en la superficie. Los mecanismos más importantes de este transporte son difusión
superficial y evaporación condensación.
La difusión superficial domina la sinterización de baja temperatura de muchos metales,
por ejemplo Hierro. La difusión por evaporación condensación no es tan importante
pero domina la sinterización de los metales de baja estabilidad, por ejemplo Plomo.
Transporte volumétrico: Por el contrario de la sinterización controlada por transporte
superficial, en la sinterización por transporte volumétrico se genera una contracción
dimensional sobre la pieza. En este transporte la masa se origina en el interior de la
partícula y migra para depositarse en el cuello formado entre las partículas.
Los mecanismos de transporte volumétrico incluyen difusión volumétrica, difusión en
contorno de grano, flujo viscoso y flujo plástico.
El flujo plástico es muy importante durante el inicio del calentamiento especialmente
en el caso de que los polvos hallan sido compactados, ya que se tiene la presencia de
grandes cantidades de dislocaciones, pero su importancia declina ya que los
esfuerzos de tensión superficial no son lo suficientemente altos para lograr generar
mas dislocaciones debido a que estas son eliminadas por un recocido que sufre el
material.
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En el flujo viscoso las partículas colapsan unas contra otras a una tasa que depende
del tamaño de partícula, la viscosidad, y la presencia de una fase líquida en las
fronteras de los granos.
La difusión en contorno de grano es importante para la densificación de la mayoría de
los materiales cristalinos, y domina la sinterización de muchos metales comunes.
Aunque ambos tipos de transporte generan o colaboran en la formación del cuello, la
mayor diferencia entre los mecanismos controlados por la difusión volumétrica y la
superficial radica en la contracción dimensional de la pieza durante la sinterización.
También, generalmente los procesos de transporte volumétrico son más activos a
mayores temperaturas.
Figura 33. Esquema donde se muestra los posible trayectos del movimiento de los átomos involucrados en la unión de las partículas y contracción de los poros para tres partículas durante el proceso de sinterización; Ref. [9]
Etapas durante la sinterización:
Las etapas durante la sinterización representan la progresión geométrica que involucra la
transformación de un polvo compacto en un objeto denso y resistente. Estas comienzan
en un estado donde el polvo estas suelto y terminan en un estado donde los poros son
reemplazados por fronteras de granos.
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62
Figura 34. Vista simple de las etapas durante la sinterización; Ref. [24]
Polvo Suelto: Las partículas están en contacto puntual unas contra otras en
orientaciones al azar, unidas por fuerzas débiles que incluyen Van Der Waals y por
aglomeración debido a líquidos. Se forman enlaces incipientes de sinterización es
decir se forman cuellos desbalanceados.
Etapa Inicial: En esta etapa se presenta crecimiento de las uniones que se formaron
en el polvo suelto, aquí el tamaño de los cuellos es lo suficientemente pequeño para
permitir que el crecimiento de estos sea independiente entre uno y otro.
Esta etapa termina cuando el cuello comience a afectarse a una relación X/D de 0.3
aproximadamente (Ver Figura 35).
Figura 35. Modelo de dos esferas para sinterización, dos granos de diámetro D se están uniendo con un cuello de diámetro X; Ref. [22]
Etapa Intermedia: Esta etapa es muy importante en la densificación y para
determinar las propiedades de la pieza sinterizada. La difusión es significativamente
alta.
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63
Se caracteriza por una simultánea densificación, crecimiento de grano, y redondeo de
los poros. La fuerza motriz de esta etapa es la eliminación de la energía superficial
que aun se encuentre presente, ya que los gradientes de curvatura entre las dos
partículas han sido suavizados (disminuidos) previamente a la etapa media. Como ya
hay continuidad de materia el cuello pierde importancia y la atención se deposita
ahora en la estructura de los poros que se encuentran alrededor de este.
Etapa Final: Esta es una etapa lenta en la que hay crecimiento de grano y los poros
se cierran buscando disminuir su energía geométricamente tomando una forma
esférica (la esfericidad de esta depende de la ubicación de los poros), a través de
fenómenos de difusión volumétrica.
Algunos poros se ubican en las esquinas de los granos tomando una forma tetraédrica
redondeada, los que se ubican en las fronteras de grano tienen forma lenticular, y los
que se encuentran en el interior de los granos toman una forma esférica. Se debe
mencionar que los poros en las fronteras de los granos son aislados al interior del
grano debido a que el crecimiento de grano fuerza a la frontera a curvarse
aumentando el área de frontera hasta un punto donde esta se separa del poro y este
es aislado por que la velocidad de movimiento de estos a altas temperaturas es
mucho más baja que la de las fronteras de los granos.
Figura 36. Der. Geometrías de los poros según su ubicación; Izq. Secuencia de los pasos que llevan a la esferoidización y aislamiento de un poro; Ref. [22]
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64
Mediciones típicas en la sinterización:
Los estudios realizados sobres sistemas modelos de la sinterización han permitido aislar
varios efectos dependientes del tiempo, temperatura, tamaño de partícula, presión de
compactación y atmósfera. Las mediciones típicas realizadas son: tamaño de cuello, área
superficial, densificación y contracción; Ref. [23].
La densificación , densidad de sinterización s y la contracción L/Lo, son mediciones
relacionadas de la sinterización,
G
Gs
o
G
s
L
L3
1
Donde G es la densidad del verde, y T es la densidad teórica; entonces, si un
compactado 68% denso es sinterizado hasta una densidad del 87%, la contracción neta
puede calcularse por medio de la primera ecuación y es de 7.9%. La densificación es
entonces 59%. De acuerdo con esto, las herramientas se deben fabricar sobre-
dimensionándolas por un factor dado por
o
FT
L
L
LL
1
Donde TL es la dimensión necesaria de la herramienta para lograr la dimensión final FL
cuando la contracción es L/Lo durante la sinterización; Ref. [23].
3. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
3.1. Introducción
Este capitulo tiene la finalidad de mostrar, explicar y describir los procedimientos
utilizados para el diseño y construcción de algunos equipos utilizados para la mezcla de
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65
los polvos, y la obtención de probetas para ensayos mecánicos (tracción), así como
también se enunciaran los métodos utilizados para la caracterización de los polvos,
selección de aditivos y parámetros para los dos procesos de conformación, y los
subsecuentes procesos para obtener las piezas finales.
3.2. Selección y caracterización de polvo de Ti
La selección de los polvos se realizó a partir de una revisión bibliográfica teniendo en
cuenta las siguientes características: forma de las partículas, tamaño de las partículas, y
pureza (composición química) de las mismas. Así mismo se le realizó una caracterización
a los polvos adquiridos para corroborar que concordaran con los seleccionados, y para la
determinación de características que influyen sobre los resultados de los procesos
involucrados en la producción de piezas.
Las siguientes son las características que se determinaron y el método por el cual fue
hecho esto:
Forma de partícula: se utilizó SEM (Microscopia Electrónica de barrido) y técnicas de
análisis de imagen.
Tamaño y distribución de partícula: se realizó un análisis cuantitativo sobre
imágenes obtenidas por SEM utilizando como patrón el diámetro de área proyectada,
así como también se realizó una determinación por medio de tamizaje la cual fue una
donación de la empresa proveedora de los polvos.
Superficie libre específica: se realizó una aproximación teórica a partir de la
geometría obtenida de imágenes obtenidas por SEM.
Composición química: EDS (Espectroscopía de Energía Dispersiva para determinar
si hay contaminación después de la mezcla) y XPS (Espectrometría de Fotoelectrones
de Rayos X para conocer el estado inicial de los polvos.
Densidad aparente: se utilizó la metodología y montajes descritos en las normas
ASTM B 212 y MPIF 28 (embudo Carney).
Fluidez o tasa de flujo: se utilizó la metodología descrita en la norma B 213, y el
montaje de la norma ASTM B212 y MPIF 28 (embudo Carney).
Compresibilidad: se utilizó la metodología de la norma ASTM 331.
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66
3.3. Adecuación de polvos de Ti
La adecuación consistió en obtener mezclas homogéneas entre polvos de diferentes
tamaños para aumentar la densidad aparente, y entre estos con aditivos que ayuden en la
densificación y lubricación de las partículas.
Los parámetros tenidos en cuenta se obtuvieron a partir de una revisión bibliográfica Ref.
[8,24], estos fueron: tipo de mezclador, variables de operación, la estabilidad química del
aditivo, y la relación porcentual en peso (%wt) de la mezcla entre los polvos y el aditivo.
El mezclador que se escogió es de tipo de flujo cruzado debido a las ventajas
enumeradas en la Ref. [8]. De este equipo solo se dispone de un soporte para el
mezclador, y un motor eléctrico con un controlador, más no del mezclador de flujo
cruzado, por lo que fue necesario diseñar y construir uno.
3.3.1. Diseño y construcción de un mezclador de flujo cruzado
El diseño geométrico de este mezclador está basado en los conceptos que se encuentran
en la Ref. [8], así como su modo de empleo y variables de operación.
Por otro lado la selección de los materiales para la fabricación del mezclador se realizó
teniendo en cuenta los siguientes requerimientos: buena resistencia mecánica, buena
resistencia a la abrasión, buena resistencia a la corrosión, no contaminar el polvo, costo,
facilidad de conseguir, y facilidad de procesar.
Ya que el uso que tendrá este mezclador no es muy frecuente y los materiales que se
introducirán para mezclar no son abrasivos, los materiales seleccionados fueron: para la
estructura general del mezclador (cuerpo en V, boquilla y tapón) acero Inoxidable 304, y
para las tapas caucho (comercial) recubierto.
Las siguientes son las partes que lo conforman ver también figura 1:
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Número
del Ítem Nombre Material Cantidad
1 Cuerpo en V del mezclador Acero Inox. 304 1
2 Boquilla del mezclador Acero Inox. 304 1
3 Tapón roscado Acero Inox. 304 1
4 Tapas aperturas de l a V Caucho recubierto 2
Figura 37. Esquema donde se muestran el ensamble y las partes del mezclador.
La construcción se realizó en el laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad de
los Andes y fue realizada por personal técnico del mismo. Las fisuras que quedaron
después de la fabricación fueron rellenadas con un polímero fácil de moldear, con una
buena apariencia y resistencia al desgaste, en este caso fue resina Epóxica para anclaje
marca Sika.
Como criterios para la evaluación del funcionamiento del mismo se escogieron
homogeneidad en la mezcla y composición química del polvo después de la misma
(cuantificación de impurezas).
3.4. Conformación de polvos
La conformación de los polvos se divide en dos etapas, una consiste en la compactación
de los polvos de Ti previamente adecuados, y la otra en el diseño de un sistema de
inyección para los mismos.
4
3
1 2
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68
3.4.1. Compactación de polvos de Ti
Por medio de una compactación se desea obtener piezas con forma de corbatín para
realizar ensayos de tracción no estandarizados. El diseño de la geometría de estas piezas
se realizó teniendo en cuenta los límites de operación (distancia mínima entre mordazas 2
cm) de la máquina de ensayos universal INSTRON 5586 disponible, propiedad del CIPEM
/ CIPP de la Universidad de los Andes.
La geometría diseñada fue la mostrada en la figura 2:
Figura 38. Plano de la probeta para ensayos de tracción, las unidades están en mm, y el espesor de la misma es de 2 mm.
Con el fin de obtener las piezas con esta geometría fue necesario diseñar y construir una
matriz de dado flotante para compactación uniaxial de doble acción, que se pudiera
acoplar a la misma máquina de ensayos universal (está aplicara la carga de
compactación) y cumpliera con los siguientes requerimientos:
El material seleccionado debe poder conseguirse fácilmente en el mercado
colombiano, debe poseer buena resistencia mecánica, resistencia al desgaste,
facilidad de procesar (fabricación de las partes), y los costos de fabricación deben ser
aceptables (no superiores a 450 US$.)
Como restricciones para el diseño se tienen la geometría de las piezas, y un esfuerzo
máximo de compactación de 700 - 800 MPa. Después de una revisión bibliográfica Ref.
[7, 17-20], se hará uso de las siguientes teorías e información para el diseño de la matriz:
Teoría de diseño de recipientes a presión.
Teoría de elasticidad (de Lamé) para materiales.
Diámetro hidráulico de canales de flujo.
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69
Materiales y acabados recomendados para la construcción de la misma.
Como criterios de evaluación para el diseño y fabricación de la matriz se realizó una
simulación por elementos finitos utilizando el programa ANSYS Ver. 10.0 con un sólido
tipo 95 para el análisis, la obtención de piezas con la forma deseada, y que no se
presenten fallas por cedencia del material.
3.4.2. Inyección de polvos de Ti
La finalidad de esta etapa del proceso es diseñar un sistema de inyección para polvos de
Ti, teniendo las siguientes limitantes: la cantidad de impurezas que queden después de su
remoción debe estar dentro de los limites establecidos correspondientes al titanio ASTM
grado 1, 2 ,3 ,4, y 7; la temperaturas de fusión y/o de transición vítrea por debajo de
260ºC (temperatura a la cual hay difusión de impurezas en el Ti), disponibilidad en el
mercado, y facilidad de procesar, para esto se seleccionaron los materiales y variables de
proceso para la mezcla a partir de una revisión bibliográfica Ref. [14,15]
Los materiales seleccionados para la producción del ligante son: naftaleno como
constituyente principal (93% Vol.), E.V.A. como fase llenadora (6% Vol.), y ácido esteárico
que funciona como surfactante entre el naftaleno y el E.V.A (1% Vol.), Ref. [14.15]; estos
materiales fueron seleccionados por sus propiedades térmicas: el punto de fusión del
naftaleno se encuentra a una temperatura entre los 79-83ºC, la temperatura de transición
vítrea del E.V.A. se encuentra entre los 62-82ºC (T. fusión entre los 74-100ºC), y la
temperatura de fusión del ácido esteárico se encuentra entre los 67-70ºC, haciendo su
mezcla relativamente fácil, además de llevarse a cabo por debajo de la temperatura
máxima para la difusión de impurezas en el Titanio.
Para la mezcla del Feedstock, se escogieron las principales variables del proceso
tomando como base los valores que se encuentra en la Ref. [14]:
Temperatura de mezcla: 85ºC.
Tiempo de mezcla: aproximadamente 10 min.
Velocidad de Mezcla: 50 RPM.
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Tipo de mezclador: Brabender.
El Brabender utilizado es un Plasti-Corder PLE 331 Brabender de doble tornillo
(Brabender GmbH & Co. KG in Duisburg) propiedad del CIPP / CIPEM de la Universidad
de los Andes.
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.
4.1. Selección y caracterización de polvo de Ti
4.1.1 Selección de polvos
Los polvos seleccionados para trabajar son de forma esférica producidos por atomización
por antorcha de plasma con Argón, con tamaños de partícula de 106-150 m para los
polvos gruesos, y de menos de 45 m para los polvos finos; los polvos fueron adquiridos
de la empresa AP&C, Advanced Powders and Coatings, Québec Canadá. Los primeros
son para compactar en frío uníaxialmente en la matriz diseñada, y los segundos son para
producir el sistema para inyección y para mezclar con los polvos gruesos en diferentes
concentraciones hasta obtener la mayor densidad aparente posible.
4.1.2 Caracterización de polvos
Forma de partícula: se pudo observar que los polvos poseen una forma esférica.
Figura 39. Micrografía de la forma de los polvos obtenidas por (SEM); Izq. Partículas pequeñas tamaño menor a 45 m(700X); Der. Partículas gruesas tamaño entre 106 y 150 m (500X).
Tamaño y distribución de partícula: Por medio del tamizaje se obtuvieron los resultados
mostrados en las Tablas 7 y 8:
Para las partículas gruesas tamaño entre (106 y 150) µm:
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71
Tabla 7. Tamizaje partículas gruesas.
Tamiz Resultados (%)
100 2.93
140 96.67
-140 0.4
El 96.67 % de las partículas tiene un tamaño que se encuentra entre un tamiz de malla
100 y otro de malla 140 es decir entre tamaños de (106 a 150) µm
Para las partículas finas tamaño menor a 45 µm:
Tabla 8. Tamizaje partículas finas.
Tamiz Resultados (%)
+ 325 4.4
- 325 95.6
El 95.6 % de las partículas tiene un tamaño que se encuentra por debajo de un tamiz
de malla 325 es decir menor a 45 µm.
Utilizando mínimo 4 imágenes (SEM) para cada tamaño de polvo se hizo un conteo de
partículas a partir del diámetro proyectado por cada una, delimitando los tamaños por
rangos como se puede ver mas adelante en las tablas de. Las siguientes son las
imágenes utilizadas para el conteo de los polvos:
Para las partículas finas se utilizaron las micrografías de las figuras 40 a la 43
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72
Figura 40. Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM).
Figura 41.Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM).
Figura 42. Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM).
Figura 43. Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM).
El resultado de los conteos se encuentra en la Tabla 9 y en el histograma en la figura 44.
Tabla 9. Resultados conteo a partir de las fotos de los polvos finos.
Diámetro de Partícula.
<= 10 µm 11 - 20 µm 21 - 30 µm 31 - 45 µm > 45 µm
Figura 40 729 181 43 22 7
Total de Part. 982
(%) 74,24 18,43 4,38 2,24 0,71
Figura 41 485 45 47 13 8
Total de Part. 598
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73
(%) 81,10 7,53 7,86 2,17 1,34
Figura 42 672 182 62 29 10
Total de Part. 955
(%) 70,37 19,06 6,49 3,04 1,05
Figura 43 695 80 59 15 7
Total de Part. 856
(%) 81,19 9,35 6,89 1,75 0,82
Diámetro de Partícula.
<= 10 µm 11 - 20 µm 21 - 30 µm 31 - 45 µm >= 45 µm
Promedio (%) 76,72 13,59 6,41 2,30 0,98
Promedio Diam. 645,25 122 52,75 19,75 8
0
200
400
600
800
10 15 25 35 45
Tamaño de part. ( m)
Fre
cuen
cia
(nú
mer
o d
e co
nte
os)
Figura 44 . Histograma distribución de tamaños partículas finas.
Se observa que la distribución del tamaño de las partículas finas tiene la tendencia de
tener valores iguales o menores a 10 m. Aproximadamente el 99% de las partículas
finas tienen un tamaño (diámetro) que está por debajo de 45 m.
Para las partículas gruesas se utilizaron las micrografías de las figuras 45 a la 49.
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74
Figura 45. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de parafina, a 500X (SEM).
Figura 46. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de parafina, a 500X (SEM).
Figura 47.Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de parafina, a 500X (SEM).
Figura 48. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de parafina, a 500X (SEM).
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75
Figura 49. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de parafina, a 500X (SEM).
El resultado de los conteos se encuentra en la Tabla 10 y en el histograma en la figura 50.
Tabla 10. Resultados conteo a partir de las fotos de los polvos gruesos.
Diámetro de Partícula.
<= 100 µm 101 -110 µm 111 - 130 µm 131 - 150 µm > 150 µm
Figura 45 2 4 7 7 1
Total de Part. 21
(%) 9,52 19,05 33,33 33,33 4,76
Figura 46 5 6 10 6 0
Total de Part. 27
(%) 18,52 22,22 37,04 22,22 0,00
Figura 47 9 10 10 5 1
Total de Part. 35
(%) 25,71 28,57 28,57 14,29 2,86
Figura 48 5 6 10 6 0
Total de Part. 27
(%) 18,52 22,22 37,04 22,22 0,00
Figura 49 7 4 12 4 1
Total de Part. 28
(%) 25,93 14,81 44,44 14,81 3,70
Diámetro de Partícula.
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76
<= 100 µm 101 -110 µm 111 - 130 µm 131 - 150 µm > 150 µm
Promedio (%) 19,64 21,38 36,08 21,38 2,26
Promedio Diam. 5,6 6 9,8 5,6 0,6
0
2
4
6
8
10
12
100 105 120 140 150Tamaño de part. ( m)
Fre
cuen
cia
(nú
mer
o
de
con
teo
s)
Figura 50. Histograma distribución normal e histograma polvos gruesos
Se observa que la distribución del tamaño de estos polvos tiende una distribución normal,
y, aproximadamente, el 79% de las partículas tiene un tamaño (diámetro) entre 100 y 150
m, alrededor de un 19 % tiene un tamaño menor a 100 m, y alrededor de un 2% tiene
un tamaño superior a 150 m.
Comparando los dos métodos utilizados se obtiene un resultado más preciso con el
conteo sobre imágenes, claro está que se necesitan más de 4 o 5 fotos como se hizo para
lograr un muestreo mucho mas confiable. Las diferencias que se obtuvieron entre los
métodos en cuanto al tamaño de las partículas gruesas posiblemente se deben a que
algunas partículas no están totalmente esféricas (el tamizaje asume una forma
homogénea de partículas), debido a esto pueden pasar a través de las aperturas de los
tamices cayendo en donde no les corresponde, o porque algunas de las partículas de
tamaño menor a 100 m pudieron haber quedado atrapas entre las de tamaño entre 100 y
150 m aumentando erróneamente la cantidad medida de estas partículas.
Superficie libre específica de los polvos: Conociendo la densidad teórica del Ti
4.51 g/cm3 , asumiendo que las partículas gruesas tienen un tamaño medio de 117
m aproximadamente (obtenido a partir del conteo), y que son totalmente esféricas
se procede a aproximar el valor utilizando la teoría de área superficial como índice de
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77
forma; Ref. [23], el valor resultante de la superficie libre específica es de
aproximadamente (0.01137 m2/g) para polvos gruesos, y de (0.13303 m2/g)
aproximadamente para polvos finos.
Composición Química De Los Polvos: Por espectrometría de fotoelectrones de
rayos X se obtuvo la siguiente composición:
Para los polvos gruesos:
Composición Química
Elemento N2 C H2 Fe O2 Al V Cu Ni Cr Si Th W Ti
Porcentaje
(%) <0.01 0.01 <0.01 0.11 <0.18 0.01 <0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 <0.01 <0.01 Rest.
Para los polvos finos:
Composición Química
Elemento N2 C H2 Fe O2 Al V Cu Ni Cr Si Th W Ti
Porcentaje
(%) 0.003 0.01 0.005 0.07 <0.18 0.01 <0.01 <0.01 0.01 0.01 0.01 <0.01 <0.01 Rest.
Se observa que en ambos casos esta composición corresponde a la composición de
Titanio sin alear Grado 1, UNS R50250 (limites de impurezas: 0.18 O2, 0.20 Fe, 0.03
N2, 0.10C, 0.015 H2 %wt); Ref; [10].
El análisis químico por EDS se encuentra mas adelante en los resultados de la mezcla
para evaluar el resultado del diseño y fabricación del mezclador de flujo cruzado.
Densidad Aparente: Para la densidad aparente se utilizó el montaje estipulado por la
norma ASTM B 212, (ASTM 417 y MPIF 28) como se puede observar en la siguiente
foto:
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78
Figura 51. Montaje para determinación de densidad aparente y tasa de flujo.
El procedimiento para la medición fue el siguiente: teniendo el montaje previamente
mostrado, se lleno el embudo hasta el tope con el polvo tapando con el dedo el orificio
inferior para evitar que este se salga, se ubico después de esto la copa de densidad lo
más concéntrico al orifico inferior, hecho esto se removió el dedo y se dejo fluir el
polvo hasta que este rebosó la copa, con una espátula se raspo toda la boca de la
copa hasta dejar el polvo a ras, se le dio un pequeño golpe a la copa para facilitar el
transporte de los polvos hasta una bascula digital (ver figura 52) donde se determino
el peso de la copa con el polvo, luego de esto se resta el valor del peso de la copa
vacía para corregir el valor y obtener el peso del polvo. Se divide este peso sobre los
25 cm3 de volumen de la copa y se obtiene así la densidad aparente.
EmbudoCarney
Tasa de densidad25cm^3
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79
Figura 52. Báscula digital Sartorius 2003-MP1.
Este proceso se repitió varias veces y los resultados para los dos tamaños de polvo
fueron:
Tabla 11. Valores de densidad aparente de polvos gruesos y finos.
Tamaño de part. Grueso Fino 65,80 63,10
65,60 64,40 65,80 63,80 65,60 63,20 Peso de la muestra (g) 65,40 64,00 65,70 64,60 65,60 63,80 65,70 63,80 65,60 64,30 65,70 64,10
Promedio 65,65 63,91
Den. Aparente (g/cm^3) 2,63 2,56
Den. Fraccional (%) 58,36 56,81
Comparando con la literatura Ref. [12], la diferencia resultante entre las densidades de
los dos tamaños de polvos era de esperarse. La mayor densidad aparente se obtiene
con los polvos gruesos, la diferencia entre los dos resultados es de 2% aprox.
IM-2006-II-14
80
Posiblemente se debe a que en ambos casos hay un buen rearreglo de partículas en
el caso de los polvos gruesos por el tamaño de las partículas y superficie libre
especifica Ref. [23], y en el caso de los polvos finos por un amplio rango de tamaños
que van desde 1 m hasta 10 (buen rearreglo de las partículas ya que hay
disminución de los espacios vacíos entre las partículas).
Fluidez / Tasa de flujo: Para la medición de la tasa de flujo se utiliza el mismo
montaje de la densidad aparente, el procedimiento (Norma B 213, ASTM 417) es muy
parecido, difieren en que el embudo ya no se debe llenar hasta el tope sino con una
cantidad fija (50 g), y al remover el dedo del orificio inferior inmediatamente se debe
medir el tiempo que demoran en fluir fuera del embudo completamente los 50 g.
Hecho esto se dividen los 50 g entre el tiempo y se obtiene la tasa de fluidez del polvo
en unidades de masa por tiempo (g/s).
Para los polvos gruesos se obtuvo la siguiente tasa de fluidez:
Tabla 12. Tasa de fluidez polvos gruesos
Tiempo (s) (g/s) 11,67 4,28 11,71 4,27 11,75 4,26 11,94 4,19 Peso base 12,05 4,15
50 g 12,23 4,09 12,11 4,13 14,82 3,37 12,33 4,06 11,57 4,32 12,09 4,14 11,76 4,25 12,18 4,11
Promedio 12,17 4,11
Para los polvos finos se realizaron 13 mediciones, estos no fluyeron por el embudo
Carney aun utilizando un alambre para forzarlos. La posible causa de esto es la
adsorción de humedad del ambiente durante la determinación de la densidad
IM-2006-II-14
81
aparente, generando aglomeración de partículas reduciendo la eficiencia de la
reacomodación de las partículas aumentando la fricción entre ellas.
Compresibilidad: Debido a problemas con la matriz disponible para el cálculo de la
compresibilidad y lubricación del polvo, fue imposible obtener piezas compactadas a
partir de las cuales se pudiera obtener la curva de compactación, estos problemas y
las acciones realizadas para poder solucionarlos están explicadas mas adelante en el
análisis de resultados obtenidos en el conformado.
Análisis de la Superficie de los Polvos: E En las fotos SEM utilizadas para la
caracterización de los polvos se pueden observar diferentes marcas y deformaciones
sobre las superficies de las partículas.
Partículas Gruesas:
Figura 53. Micrografías SEM 500X de partículas gruesas; [1] formación de dendritas Ref. [23], [2] deformación superficial
debido al mezclado con parafina, [3] fractura de una partícula después de mezclar con parafina.
En la figura anterior se muestran algunas marcas que se encontraron sobre las partículas
gruesas recubiertas con lubricante (ver. más adelantes, resultados conformación), en la
(1) se pueden observar dendritas las cuales se formaron durante la producción de los
polvos por atomización como consecuencia de una tasa de enfriamiento baja; Ref. [23].
La (2) muestra la formación de superficies planas sobre las partículas como consecuencia
de la deformación plástica generada por la forma como se mezclo el polvo con el
lubricante. La (3) muestra una de varias partículas que se fracturaron debidos igualmente
12 3
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82
a la forma como se mezclo el polvo con el lubricante. (Ver. Resultado de conformación
para observar en que forma fue mezclado el polvo con el lubricante y porque esta genero
este tipo de deformación).
Partículas Finas:
Figura 54. Micrografía (SEM) 700X. Marcas de dendritas sobre superficie polvos finos.
En los polvos finos la formación de dendritas es menor debido a que su mayor superficie
libre especifica ayuda a aumentar la tasa de enfriamiento, obteniendo una superficie más
homogénea; Ref. [23].
4.2. Adecuación de los polvos
4.2.1. Diseño y construcción de un mezclador de flujo cruzado
A continuación se muestra el mezclador fabricado:
Figura 55. Foto mezclador de flujo cruzado fabricado.
Las mezclas de solo polvos realizadas en este mezclador arrojaron los siguientes
resultados de densidad aparente, tabla 5:
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83
Tabla 13. Densidades obtenidas por cada mezcla.
%Partículas 100-150 m 100% 75% 70% 60% 50% 25% 0%
65,80 71,90 80,50 80,91 79,90 68,10 63,10 65,60 72,60 78,90 81,20 80,20 66,80 64,40 65,80 72,90 79,70 81,20 79,70 67,10 63,80 65,60 72,60 79,40 81,30 79,40 68,00 63,20 Peso de la muestra (g) 65,40 72,10 80,60 81,02 79,80 68,00 64,00 65,70 72,20 80,50 81,50 79,40 67,90 64,60 65,60 72,20 79,50 80,91 79,90 67,70 63,80 65,70 72,50 80,60 81,10 80,50 67,50 63,80 65,60 72,20 80,02 81,20 80,20 67,50 64,30 65,70 72,20 81,00 81,50 80,50 67,70 64,10
Promedio 65,65 72,34 80,07 81,18 79,95 67,63 63,91
Den. Aparente (g/cm^3) 2,63 2,89 3,20 3,25 3,20 2,71 2,56
Den. Fraccional (%) 58,36 64,30 71,18 72,16 71,07 60,12 56,81
Estas mezclas se realizaron para aumentar la densidad aparente de los polvos, la
resistencia que tendrán las piezas en verde y probablemente las propiedades de las
piezas finales (sinterizadas) se mezclaron los polvos de los diferentes tamaños gruesos y
finos en relaciones de porcentaje en peso tomando como referencia la cantidad de polvos
gruesos presentes en la mezcla; la densidad aumenta debido a que los polvos finos sirven
como llenadores de los espacios vacíos que quedan entre las partículas grandes, se
aumenta el empaquetamiento de las partículas. En la figura 11 muestra la gráfica del
comportamiento de la densidad aparente de las mezclas:
2,40
2,60
2,80
3,00
3,20
3,40
0% 20% 40% 60% 80% 100%Porcentaje de partículas de tamaño 100-150 [ m]
Den
sid
ad a
par
ente
[g
/cm
^3]
Figura 56. Curva de variación de la densidad aparente por mezcla.
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84
Se observa que la mejor mezcla es la que contiene un 60 %wt de partículas gruesa y un
40 %wt de partículas finas, la densidad aparente de esta mezcla alcanzo un 72% de la
densidad teórica. Este resultado es similar comparado con el de la literatura Ref. [12]
página 296. A esta mezcla se le caracterizó la tasa de flujo para observar que tan rápido
llenará el molde, y se le realizó un análisis químico por EDS para determinar si se le
introdujeron impurezas durante el mezclado.
La tasa de flujo obtenida después de 13 mediciones se observa en la tabla 7:
Tabla 14. Tasa de flujo mezcla 60-40 polvos.
Tiempo (s) (g/s) 14,84 3,37 15,35 3,26 14,95 3,34 14,77 3,39 14,61 3,42 Peso base 15,02 3,33 50 g 15,23 3,28 14,83 3,37 15,32 3,26 14,59 3,43 15,07 3,32 15,16 3,30 14,78 3,38
14,96 3,34 Promedio
El análisis químico se realizó sobre las partículas de la figura 12 y los resultados se
pueden observar en la figura 13:
Figura 57. Micrografía SEM de los polvos mezclados 60/40 después de una compactación fallida, amplificación a 500X, a 30
kV.
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85
Figura 58. Grafica análisis químico por EDS.
Estos resultados validan el diseño y construcción del mezclador ya que se obtuvieron
mezclas homogéneas (resultados den. Aparente), y no hay evidencia de la inclusión de
impurezas como Fe, Ni, Cr que pueden provenir del material del mezclador.
Posteriormente se realizó otra mezcla entre estos polvos y ácido esteárico en forma de
polvo en el mezclador de flujo cruzado a una relación no mayor al 1.5 %wt. Ref. [23] del
polvo para lubricarlos. Se mezclo 1%wt por un tiempo de 25 min a una velocidad de 30
RPM, Ref. [8].
4.3. Conformación de los polvos
4.3.1. Compactación de polvos de Ti
4.3.1.1. Diseño y fabricación de la matriz
La prensa diseñada y fabricada consta de las siguientes partes:
Soporte para sistema de dado flotante: tapa de soporte inferior 4 tornillos de acero,
tapa de soporte superior, 4 resortes, una chapa metálica, y 4 tuercas. Número de
ítem. (1) Fig. 59
1 dado con dado. Número de ítem. (2) Fig. 59
2 punzones. Número de ítem. (3) Fig. 59
El sistema de dado flotante se realizó teniendo en cuenta la literatura de la Ref. [18]. En
la figura 59 se puede ver un esquema del ensamble.
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86
Figura 59. Esquema del ensamble de la matriz de dado flotante de doble acción.
La gama de materiales que se tienen para escoger para el diseño y fabricación de la
prensa pertenecen a catálogos de empresas nacionales como Sidelpa, Corta metales
(Reyclo) y Mantilla Vélez.
Los acabados se escogieron a partir de la literatura; Ref. [18 - 20]:
0.016 mm por cada 25 mm (esta tolerancia sirve y el costo económico para lograrla es
aceptable), aunque debe ser construida con el mínimo juego posible para evitar la
entrada de polvos nano y/o micrométricos al claro.
Rugosidad de 0.1 m.
Pulida en el sentido del prensado.
Para el diseño del dado se utilizó la relación de Lamé con el fin de poder determinar el
diámetro exterior mínimo requerido para que el material soporte las cargas internas
analizándolo como un recipiente cilíndrico a presión interna; Ref. [7, 17-20]; al mismo
tiempo el diseño está delimitado por los siguientes valores:
Carga máxima capaz de ser entregada por la maquina disponible: 25 Ton (250 KN).
Esfuerzo máximo por debajo del cual se va a trabajar (para no afectar los acabados
de las piezas): 700 - 800 MPa.
(1)
(3)
(2)
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87
Debido a la geometría de la pieza se hace uso de la ecuación (1), para determinar el
diámetro hidráulico equivalente Ref. [6], de la cavidad del dado para poder realizar los
cálculos de Lamé y seleccionar el material óptimo para la matriz
(1)
La ecuación (2) Ref. [7] permite calcular el diámetro externo de Lamé, los resultados de
este indicaron que el material óptimo para fabricar punzones y dado es el 4340 templado
en aceite y revenido a 315 ºC. El valor promedio de esfuerzo de cedencia que se puede
obtener con este acero en el mercado nacional está alrededor de 1620 MPa.
(2)
Tabla 15. Diámetro externo para materiales según Lamé.
Mat. / Acero Tratamiento y(MPa) D. ext. Lamé (mm)
1020 Recocido 870 ºC 295 12,17
Normalizado 925 ºC 345 11,71
1040 Recocido 785 ºC 290 12,23
Normalizado 900 ºC 355 11,63
HR 375 11,50
4140 Recocido 815 ºC 417 11,26
Normalizado 870 ºC 655 10,54
Temple en aceite
revenido a 315 ºC 1570 9,86
4340 Recocido 810 ºC 472 11,02
Normalizado 870 ºC 862 10,25
Temple en aceite
revenido a 315 ºC 1620 9,84
A36 CR 250 12,79
Para el sistema de dado flotante se escogió acero estructural A-36, tornillos Gutemberto
de 1/4 in galvanizados, y para los resortes acero cuerda de piano (AISI 1085).
Aplicando la teoría de elasticidad de lamé (comportamiento de un polvo como un fluido
bajo presión) Ref. [7] y la teoría de recipientes cilíndricos con extremos cerrados
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88
sometidos a presión interna Ref. [17], la carga que se debe ejercer sobre el polvo para
generar un esfuerzo de 715.72 MPa en el dado es de 130 KN (13.25 Ton) y 140 KN
(14.27 Ton) para un esfuerzo de 770.77 MPa. Como el valor de estos esfuerzos está por
debajo del esfuerzo de cedencia del material no hay falla inicial.
Tabla 16. Cálculos de diseño para dado y punzón como recipiente cilíndrico a presión;
Ri sup. [m] 0.00477 Area punzón [m2] 0.000184
Ri sup. Lat. [m] 0.00477 Area lat. Prob. [m2] 0.00005994
Ro [m] 0.03175 Area dado [m2] 0.002973
E [Pa] 2.0500E+11
Sy [MPa] 1620.00
Fuerza [N] Esf. Punzón [MPa] Pi [MPa] Esf. Tang. [MPa] Esf. Rad. [MPa]
0 0.00 0.00 0.00 0.00
10000 54.35 55.06 57.60 -55.06
20000 108.70 110.11 115.20 -110.11
30000 163.04 165.17 172.79 -165.17
40000 217.39 220.22 230.39 -220.22
50000 271.74 275.28 287.99 -275.28
60000 326.09 330.33 345.59 -330.33
70000 380.43 385.39 403.18 -385.39
80000 434.78 440.44 460.78 -440.44
90000 489.13 495.50 518.38 -495.50
100000 543.48 550.55 575.98 -550.55
110000 597.83 605.61 633.58 -605.61
120000 652.17 660.66 691.17 -660.66
130000 706.52 715.72 748.77 -715.72
140000 760.87 770.77 806.37 -770.77
Un análisis de falla de columnas por parábola de Johnson (relación de esbeltez de la
columna) para determinar la carga crítica a la cual fallan los punzones, determino que
esta tiene un valor de 285 KN, ya que la carga máxima que se puede aplicar es de 140
KN y la máxima que puede entregar la maquina disponible es de 250 KN, no debe haber
falla por pandeo.
Tabla 17. Análisis por teoría de columnas para el punzón;
Inercia [m4] 1,7085E-08
Area [m2] 1,8400E-04
K 9,6360E-03
(L/K)1 24,9800
(L/K)col. 7,2643
P. cr. [N] 285485
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P. usada (N) 140000
Por medio de la validación en ANSYS Ver. 10.0 utilizando el tipo de sólido 95 realizando
un análisis por elementos finitos se obtuvieron los siguientes resultados:
Simulación Dado:
Figura 60. Enmallado modelo del dado utilizando sólido tipo 95
.
Figura 61. Condiciones de frontera modelo del dado, las cargas están en Rojo, y las restricciones de empotramiento en flechas moradas.
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90
Figura 62. Solución de los esfuerzos generados dentro del dado.
El esfuerzo máximo sufrido por el dado bajo una carga de 140 KN en la simulación es de
776 MPa. Por lo tal la aproximación de la matriz a un recipiente cilíndrico a presión interna
fue acertada.
4.3.2. La matriz en la realidad
4.3.2.1. Introducción
Una vez terminada la fase de diseño se procedió a fabricar la prensa bajo las
especificaciones estipuladas, describir y explicar el protocolo necesario para poder
utilizarla; en la siguiente figura se muestran la prensa ya en la realidad, su ensamble y
montaje:
776 MPa
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91
Figura 63. Fotos de la matriz en la realidad y el montaje en la maquina INSTRON.
4.3.2.2. Protocolo de utilización de la prensa
Los pasos que se deben seguir para utilizar la prensa se dividen en dos partes: la primera
involucra el llenado de la cavidad del dado con el polvo, montaje y preparación de la
matriz; y la segunda involucra la compactación (aplicación de la carga) y la remoción de la
pieza.
4.3.2.3. Llenado de la matriz
El llenado de la matriz se debe llevar acabo en un lugar cómodo, por Ej. Una mesa.
Dependiendo de la curva de compactación y la compactabilidad de los polvos que se
vayan a compactar se debe calibrar el volumen de llenado (espacio vacío dentro de la
cavidad del dado directamente proporcional a la altura que hay entre la cara superior del
punzón inferior y la cara superior del dado) por medio de objetos sólidos que servirán
como apoyo para el punzón inferior. Llene la matriz con los polvos utilizando una cuchara
o un objeto similar en varios tiempos, golpeando levemente los costados del dado para
mejorar el llenado y el empaquetamiento de las partículas.
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92
Figura 64. Esquema del primer paso, llenado de la matriz.
Remueva el exceso de polvo que quede utilizando una espátula, dejando así solo el polvo
necesario para obtener las dimensiones de la pieza a ras con la cara superior del dado
Figura 65. Esquema segundo paso de llenado de la matriz.
Remueva uno o varios de los objetos sólidos que se hayan colocado hasta dejar un
espacio suficiente para ubicar el punzón superior de tal manera que este no quede
torcido, evitando cualquier posible daño; si usted cree que el punzón está torcido aumente
un poco mas la profundidad removiendo mas objetos sólidos o cambiándolos por otros de
Objetos sólidos Para calibrar el volumen de llenado
Golpearlevementepor aquí
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93
menor tamaño con eso las mismas paredes de la matriz ayudaran a centrar
correctamente el punzón
Figura 66. Tercer paso para llenado de la matriz
4.3.2.4. Montaje y preparación de la matriz
Una vez introducido el punzón superior golpéelo suavemente en su cara superior con un
objeto muy blando como madera o un mazo de goma para eliminar algún espacio que
quede entre el polvo y la cara inferior de este debido al aire.
Transporte la prensa hasta la maquina que vaya a aplicar la carga y móntela teniendo
cuidado de dejarla lo mas centrada posible al punto de aplicación de la carga y que las
superficies donde se sostenga y la que vaya a aplicar la carga estén lo mas paralelas a la
base de la prensa y a la cara superior del punzón, todo esto con el fin de evitar algún
daño sobre la matriz ya que el utilizar superficies paralelas ayuda a auto-alinear las partes
y a un buen acople entre prensa y máquina.
Espaciolibre para introducirel punzón superior
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94
Figura 67. Foto de la prensa montada sobre la maquina INSTRON 5586
4.3.2.5. Compactación de las piezas
Debido a que la máquina que aplicara la carga tiene control computarizado, la
compactación se desarrollara de forma controlada, la velocidad a la que se debe aplicar la
carga puede variar entre 10 y 20 mm/min, la carga que se vaya a aplicar preferiblemente
debe estar por debajo de los 100 KN y nunca debe superar los 130 KN ya que a estas
cargas los esfuerzos pueden causar daños sobre la matriz y los punzones.
Una vez se alcance el valor de la carga manténgala por alrededor de 15 a 20 segundos
para permitir la reacomodación de los polvos.
Durante la compactación los resortes no deben comprimirse, su función es únicamente
ayudar en la remoción de las piezas, si los resortes llegan a comprimirse es indicio de que
los polvos están mal lubricados y están generando fricción sobre las paredes de la matriz
lo que desplaza el dado. Las piezas que se compacten tendrán una pésima resistencia y
se desmoronaran durante su desmolde y transporte.
4.3.2.6. Remoción de las piezas
Para la remoción de las piezas ubique sobre la matriz los objetos tal como se ven se ven
en la foto:
Objetos sólidos
Punzón superior en contacto con superficie plana por donde se aplica la carga.
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95
Figura 68. Montaje para remoción de las piezas.
Utilice los controles manuales de la máquina para desplazar la superficie plana hacia la
matriz, al mismo tiempo las piezas montadas sobre la matriz desplazan está hacia abajo
haciendo que el punzón inferior empuje la pieza y el punzón superior hacia arriba, en
cuanto sea posible retire el punzón superior y continúe desplazando la matriz hasta que la
pieza salga completa mente de la cavidad y retírela. Si ninguna partícula de polvo se
introdujo por algún claro entre los punzones y el dado la remoción del punzón inferior
debe ser fácil y al retirar la carga los resortes deben volver a su posición inicial.
4.3.3. Compactación de los polvos adecuados
Las variables que se seleccionaron para el proceso son la velocidad de aplicación de la
carga 10 mm/min, la carga de compactación, para el volumen de llenado se fijo una altura
de 6 mm, y el tiempo de aplicación de la carga (20 segundos).
Debido a que no se pudo obtener la curva de compactación de los polvos se decidió
compactarlos a una carga de mínimo 80 KN (esta carga genera un esfuerzo de 430 MPa)
sobre los polvos que se estima es suficiente para obtener una pieza en verde con buena
resistencia Ref. [19]. El punzón superior se introdujo una distancia aproximada de 1 cm
dentro del dado para que las paredes ayudaran a auto-alinearlo.
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96
La mezcla 60% polvos gruesos 40 % polvos finos se compacto bajo estas variables, pero
las piezas que se obtuvieron con esta no tuvieron la suficiente resistencia debido a que la
lubricación falló, solo sufrieron una compactación superficial y al tratar de ser removidas
estas se desmoronaron. Esto se debió a que la fricción generada sobre las paredes de la
matriz y las caras de los punzones impidió que la carga se distribuyera a través del polvo,
en la figura 12 se puede observar esto, mientras que algunos polvos sufrieron alguna
deformación otros se encuentran prácticamente intactos. En la figura 16 se puede
observar el fenómeno:
Figura 69. Foto pieza compactada solo superficialmente.
Para solucionar este problema se probó un aumento del porcentaje de ácido esteárico
(1.5 %wt) en la mezcla obteniendo los mismos resultados, luego de esto se decidió
entonces utilizar lubricación sobre las paredes de la matriz y las caras de los punzones
con Teflón líquido. Esto también resulto poco exitoso debido a que la película de Teflón
era muy líquida y quedaba aun muy húmeda después de secar y ayudaba a que el polvo
se adhiriera a las paredes dejando un llenado con defectos y obteniendo el mismo
resultado final en las piezas, el problema se detecto fácilmente ya que en este caso los
resortes de la prensa se comprimieron dando a evidenciar que la carga la estaban
sintiendo las paredes internas de la matriz:
3 cmCompactaciónsuperficial.
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97
Figura 70. Foto de polvos adheridos a las paredes de la matriz debido a lubricación de paredes utilizando Teflón.
En este punto se decide parar de probar con la mezcla 60/40, y se opto por compactar
solamente polvos gruesos.
4.3.4. Compactación polvos gruesos (100-150 m)
Debido a los problemas que se presentaron con la mezcla anterior se cambio a solo
polvos gruesos, estos polvos fueron mezclados con ácido esteárico en el mezclador de
flujo cruzado con la misma velocidad, tiempo y sin variar las proporciones que se
utilizaron para la mezcla 60/40. No se utilizó lubricación con Teflón debido a los
problemas que trae esto.
La carga utilizada y la velocidad de aplicación de esta no se cambiaron. Los resultados
obtenidos fueron los mismos: se siguió presentando una mala lubricación por parte del
ácido esteárico y las piezas sufrieron solo una compactación superficial.
Figura 71. Foto de resultados compactación de solo polvos gruesos lubricados con ácido esteárico.
Polvo adherido a las paredes de la matriz
Compactaciónsuperficial.
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98
4.3.5. Rediseño de adecuación de los polvos
Estos problemas de deficiencia por parte del ácido esteárico para lubricar se deben a que
el polvo se encuentra en un estado muy seco, esto impide que el lubricante se le adhiera
a las partículas, y con los movimientos de transporte del polvo del mezclador al recipiente
donde se guarda, y de este recipiente hasta donde se encuentra la maquina que aplicara
la carga hacen que el lubricante se segregue causando así que al llenar la matriz con el
polvo este sin lubricante aumentando drásticamente la fricción en el momento de aplicar
la carga. Conociendo esto se decidió a aplicar un método de lubricación más acentuado
utilizando un lubricante (parafina) disuelto, el cual se mezclo manualmente con para tratar
de asegurar un mojado completo de la superficie de los polvos con este.
4.3.5.1. Preparación parafina disuelta y lubricación de los polvos
Ya que los polvos están muy secos para poder mezclarlos con lubricantes sólidos se
decidió utilizar un lubricante (parafina) disuelto, el cual se mezclo manualmente para tratar
de asegurar un mojado completo de la superficie de los polvos con este.
Para disolver la parafina se utilizó como solvente Pentano líquido, la proporción de
parafina con respecto al peso del solvente fue de 2.5 %wt, pero guardando una
proporción de máximo 1.5 %wt del polvo. El pentano tiene un color amarillo transparente
al mezclarlo (disolver) con la parafina este debe tomar un color blanco.
El proceso para disolver la parafina y mezclarla con el polvo fue el siguiente:
Primero se pesaron tanto el solvente como la parafina para lograr las proporciones
deseadas, luego estos fueron depositados en un bicker (el volumen del solvente fue
de 100 ml) y transportados hasta una plancha propiedad del CITEC donde se utilizó
un agitador magnético para ayudar a la disolución de la parafina.
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99
Figura 72. Foto de la arafina siendo disuelta en Pentano con ayuda de un agitador magnético.
Al tener lista la parafina disuelta esta fue mezclada con los polvos manualmente por
un tiempo de alrededor de 2 h, esta mezcla se realizó periódicamente ya que no se
mezclo de una sola vez todo el polvo con los 100 ml.
Figura 73. Foto de la mezcla manual del lubricante con el polvo.
Para remover el solvente y dejar solamente la parafina mezclada con el polvo, se
calentaron los polvos mezclados a una temperatura de 60ºC superior a la temperatura
de ebullición del pentano. Mientras se estaba a esta temperatura se continuaron
mezclando los polvos, durante esto el polvo tendió a solidificarse y formo piedras las
cuales fueron trituradas (esto pudo generar deformaciones sobre el polvo haciéndose
presentes en forma de zonas planas sobre la superficie de las partículas o fracturando
las partículas; lo anterior puede observarse en la Fotos 5, 6, 7, 8, 9 del capitulo
5.1,hechas por SEM ), el polvo continuo mezclándose por 2 h repitiendo el paso
anterior cada vez que se formaban piedras.
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100
Figura 74. Foto piedras que se formaron durante la remoción del pentano.
Para asegurar una completa remoción del pentano los polvos se dejaron por 48 h en
un horno a 55ºC y después de esto 24 h en un deshumidificador para retirar la mayor
cantidad de humedad posible.
Para comprobar que los polvos fueron totalmente recubiertos se tomaron imágenes SEM
de antes y después de la mezcla:
Figura 75. Polvo antes de lubricar con parafina; Der. Polvo des pues de lubricar con parafina.
Se puede observar que las partículas de polvo fueron recubiertas totalmente por el
lubricante.
4.3.5.2. Compactación de polvos lubricados con parafina disuelta
Al igual que para las pruebas anteriores la velocidad de aplicación y la carga se
mantuvieron sin cambios, así como también el volumen de llenado de la matriz. Los
polvos aun se encontraban en un estado un poco húmedo pero se procedió a desarrollar
la prueba.
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101
La primera prueba se hizo sin ningún tipo de lubricación sobre las paredes de la matriz o
las caras de los punzones, y se obtuvo a diferencia de las pruebas anteriores una pieza
que logro tener la resistencia suficiente para poder ser transportada de la maquina hasta
una mesa
Figura 76. Foto de la pieza obtenida sin lubricación de paredes.
La segunda prueba utilizó los mismos parámetros, pero se lllevó a cabo utilizando
lubricación de pared pero esta vez con parafina, esta fue aplicada manualmente sobre las
superficies como si fuera una crayola. El resultado que se obtuvo no fue positivo, ya que
los polvos por alguna razón que no fue posible determinar se deslizaron por los claros que
habían entre los punzones y la matriz, siendo aplastados contra las paredes internas de
esta quedándose adheridos generando fricción interna y de nuevo compactación
superficial pero las piezas tenían un poco mas de resistencia que las de las primeras
pruebas, ver figura 20 (la prueba se realizó dos veces y el resultado fue el mismo).
Figura 77. Foto de la pieza resultante al utilizar parafina para lubricación de pared.
Primerapieza con resistencia aceptable
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102
Por último se procedió a realizar una prueba sin ningún tipo de lubricación de pared en
otra matriz que se tenia disponible y se puede acoplar al soporte de dado flotante
diseñado, la geometría de esta es menos compleja y está diseñada para obtener piezas
para realizar ensayos de flexión a tres puntos (Matriz diseñada por Rafael Gómez Vargas
para su proyecto de grado de ingeniero mecánico, “Caracterización de Materiales
Magnéticos Hierro Níquel en Verde Obtenidos Por Compactación de Polvos”) Ref.[29]. La
siguiente figura 78 muestra el juego de punzones y dados
Figura 78. Foto matriz piezas para flexión a tres puntos; diseñada por Rafael Gómez Vargas para su proyecto de grado de ingeniero mecánico.
De nuevo no se cambiaron los parámetro utilizados a excepción de la carga que se
aumento para un lograr esfuerzo de 430 MPa (debido al cambio de geometría).
Ya que la geometría es menos compleja las tolerancias son más justas y no hay
concentradores de esfuerzo como en la matriz para obtener piezas en forma de corbatín,
se logro obtener una pieza con una resistencia más alta, esto permitió una mayor
manipulación de la misma
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Figura 79. Foto de la pieza obtenida en matriz de flexión a tres puntos.
Está claro que la lubricación utilizando parafina disuelta generó resultados más
satisfactorios que los otros tipos de lubricación. Los resultados podrían haber sido aun
mejores de haber podido retirar en una mayor cantidad la humedad que recibió el polvo
durante la mezcla.
4.3.6. Inyección de polvos de Ti
En los cálculos realizados se definió un volumen de control para determinar las
proporciones de la mezcla de los materiales seleccionados, para obtener el valor de este
se utilizó el volumen aproximado de la cavidad del Brabender y las densidades teóricas de
los materiales del ligante y la densidad aparente de los polvos finos para poder encontrar
la masa necesaria para cumplir con las proporciones, este es de aproximadamente 65
cm3.
Figura 80. Foto ligante y polvo por separado; Izq. 38 %Vol. de ligante, Der. 62 % Vol. de polvos de titanio
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4.3.6.1. Mezcla del polvo con el ligante
Los valores aproximados de masa necesaria de los materiales on los siguientes:
Titanio (98.4 g) 62 % Vol.
Naftaleno (39.9 g) (38 / 93) % Vol.
E.V.A. (1.4 g) (38 / 6) % Vol.
A. Esteárico (0.21 g) (38 / 1) % Vol.
La masa aproximada del la mezcla fue de 140 g, la siguiente foto muestra en que estado
se encontraba la mezcla (pre-mezcla) antes de ser introducida en el Brabender para la
mezcla:
Figura 81. Foto de la pre-mezcla entre el polvo y el ligante.
Se prepararon tres mezclas con las mismas proporciones porcentuales, la primera con
una masa menor a la necesaria para llenar el volumen (70 g), otra con los 140 g pero
removiéndola en el momento en el que el torque de mezclado se estabilice, y por último
otra con 140 g la cual fue removida después de dejar enfriar un tiempo la mezcla dentro
del Brabender. Los feedstocks obtenidos son los siguientes:
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Figura 82. Foto del Feedstock con masa menor a 140 g (70 g).
Figura 83. Foto del Feedstock obtenido al remover la mezcla al estabilizarse el torque.
Zonas donde se presento segregación de polvo.
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Figura 84. Foto del Feedstock obtenido después de dejar enfriar un poco la mezcla.
Con la primera mezcla se obtuvieron resultados poco satisfactorios ya que al no llenar
bien la cavidad del Brabender los tornillos no pudieron mezclar homogéneamente la
mezcla dejando partículas sin recubrir. La segunda mezcla resulto un poco mejor, esta se
estabilizó en un tiempo de 10 min con un torque de mezcla máximo de 3.75 Nm
aproximadamente, pero al retirarla antes de que se solidificara un poco (sin dejarla enfriar)
el polvo se segregó en algunas partes. La tercera mezcla dio como resultado un
feedstock homogéneamente mezclado sin segregaciones de polvo, al igual que la mezcla
anterior esta se estabilizó en un tiempo de 10 min, con un torque de mezcla máximo de
3.75 Nm aproximadamente.
Las figuras 85 y 86 muestran las graficas de torque contra tiempo obtenidas de las dos
mezclas con masa de 140 g:
Figura 85. Gráfica de torque contra tiempo para mezcla 2.
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Figura 86. Gráfica de torque contra tiempo de la mezcla 3.
Al comparar estas gráficas con la obtenida en la Ref. [14] se puede observar un
comportamiento similar. Fue posible replicar el diseño y la obtención del feedstock
obtenido en la literatura.
5. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES.
5.1. Conclusiones
La caracterización y correcta adecuación (selecciones de aditivos y procesos de mezcla)
de los polvos para compactación, es vital para el correcto desarrollo de los subsecuentes
pasos del proceso para obtener piezas con buenas propiedades.
La selección del tipo de mezclador y los materiales que se utilizaron para su fabricación
permitieron obtener mezclas homogéneas con evidencia inicial de no haber sufrido
contaminación alguna.
La selección del modelo de análisis de esfuerzos y falla de recipientes cilíndricos
sometidos a presión interna, es una opción acertada para el diseño de matrices para
conformación de piezas a escala laboratorio.
La correcta selección de variables de proceso como tiempos y relaciones en porcentaje
de los componentes para el diseño del feedstock afectan la obtención de un sistema cuya
mezcla este o no homogénea.
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108
5.2. Observaciones
1) Métodos para determinación de tamaños y su distribución que no tengan en cuenta
la forma de la partícula (es decir que asumen una forma de partícula homogénea
para todo el polvo) como el tamizaje resultan ser muy imprecisos debido a que las
partículas pueden camuflarse o quedar atrapadas entre otras con tamaños mayores
por efectos de aglomeración, o por que pueden tener dimensiones no isométricas
(dendríticas, poligonales, cúbicas, lenticulares, hojuelas) que impiden su paso a
través de uno u otro tamiz dependiendo del lado que entre en contacto con este.
2) El análisis de distribución de tamaño de partículas para la caracterización del polvo
por medio de conteo sobre imágenes SEM es muy útil ya que debido a la alta
población de partículas que se pueden observar, se pueden hacer análisis
estadísticos de distribución normal y Weibull con desviaciones pequeñas, aunque
para que este tenga una mayor precisión se debe hacer sobre un alto número de
imágenes (gran muestreo) lo cual lo torna algo tedioso.
3) La velocidad de enfriamiento y el tamaño de las partículas afecta la calidad
superficial (homogeneidad) durante el proceso de fabricación por atomización. A
mayores velocidades de enfriamiento y menor tamaño de partículas más
homogénea es la superficie.
4) El tamaño de las partículas afecta directamente la densidad aparente que se pueda
obtener con el polvo, entre más pequeño sea el tamaño de las partículas el valor de
esta es menor debido a que las partículas no tienen la misma libertada que tienen
las partículas de tamaños mas grandes para poder reacomodarse disminuyendo los
espacios (aumentando el empaquetamiento de las partículas y la masa de polvo
que compone un volumen determinado) que puedan quedar entre ellas, ya que
superficie libre especifica es mucho mayor induciendo efectos como la aglomeración
de estas, disminuir los espacios que puedan quedar entre ellas.
5) Utilizar mezclas entre partículas de diferentes tamaños de uno o más polvos,
aumenta significativamente la densidad aparente ya que las partículas más
pequeñas (finas) se introducen en los espacios que quedan entre las partículas de
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109
polvos de mayor tamaño aumentando así el empaquetamiento y por consecuencia la
masa de los mismos para un volumen determinado.
6) El estado en el que se encuentre el polvo referente a su humedad es muy
importante a la hora de seleccionar un lubricante para ayudarlo durante la
compactación, ya que si el polvo se encuentra en un estado muy seco la mezcla
entre este y un lubricante sólido será muy débil, y cualquier movimiento causara
segregación de uno dentro de otro haciendo muy deficiente la compactación
(compactación solo a nivel superficial); en estos casos lo mejor es utilizar algún
método de lubricación en el cual se mojen completamente e individualmente todas
las partículas de polvo.
7) Al estar bajo presión, el comportamiento de los polvos se asemeja al de un fluido
distribuyendo la carga aplicada en su volumen de una manera homogénea o no
(depende de la forma como se aplica la carga).
8) La manipulación y operación de la prensa debe ser muy cuidadosa para evitar daños
en la misma y en los equipos que aplican la carga. La alineación entre las
superficies debe ser lo más plana y paralelamente posible para evitar cargas
excéntricas sobre los punzones las cuales pueden hacerlos fallar, o en el peor de
los casos generar daños en el interior de la matriz.
9) Las piezas que se obtienen por medio de compactación uniaxial siempre tienen una
línea neutra donde su densidad es menor debido a los gradientes resultantes de la
carga que fluye a través del polvo, esto no se puede evitar con este tipo de
compactación más si se pueden disminuir sus efectos controlando las variables del
proceso obteniendo así mejores propiedades en las piezas verdes así como en las
piezas sinterizadas.
10) Para poder obtener buenas propiedades finales en piezas producidas por inyección
de polvos es necesario remover el ligante idealmente por completo si esto no es
posible se debe tratar de dejar la menor cantidad de impurezas residuales de este,
es por esto que la utilización de materiales estables químicamente y con bajos
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110
puntos de fusión son la mejor opción para generar un feedstock con el titanio, ya que
al poder ser removidos a temperaturas menores a la temperatura a la cual el titanio
se vuelve muy reactivo químicamente, se disminuye la posibilidad de generar
óxidos, carburos, etc., durante el ciclo; no obstante las impurezas que queden
afectaran las propiedades ya que reaccionaran con el titanio durante el ciclo de
sinterización a causa de las altas temperaturas a la que se lleva a cabo este
proceso, de ahí la importancia de retirar la mayor cantidad de ligante que sea
posible.
5.3. Recomendaciones Para Futuras Investigaciones:
1) Para poder obtener piezas con forma de corbatín a las cuales se les puede realizar
un ensayo de tracción es necesario remover un poco más la humedad que le quedo
a los polvos después de la mezcla con la parafina, ya que esta sigue generando un
poco de adhesión de los polvos a las paredes de la matriz dificultando un poco el
llenado y dejando entre los claros que hay entre punzones y matriz algunas
partículas de polvo que aumentan la fricción. Pero los resultados son claros al
demostrar que el polvo con este tipo de lubricación compacto mucho mejor que en
las primeras pruebas.
2) Si se va a realizar un estudio de los efectos de la presión de compactación y/o de la
temperatura y tiempo de sinterización de piezas del titanio, es mejor utilizar la matriz
de compactación para piezas de prueba de falla por flexión a tres punto, ya que esta
distribuye mejor la carga sobre los polvos de titanio (la matriz de corbatines también
funciona correctamente, esta fue probada con polvos de Fe-50Ni produciendo
piezas con una excelente resistencia y geometría) obteniendo así piezas fáciles de
transportar, observar, y analizar.
3) Al tener compactaciones exitosas con polvos de un único tamaño, se debe probar
hacer compactaciones con mezclas de polvos constituidas por diferentes tamaños
de partículas, esta debe estar en el punto óptimo el cual se determina calculando la
densidad aparente de la mezcla, todo esto con el fin de obtener piezas que
posiblemente tendrán propiedades finales superiores a las que se obtienen con
polvos sin mezclar bajo las mismas condiciones de proceso.
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111
4) Si después de muchos intentos y acciones referentes a la lubricación de los polvos
con los que se está trabajando, no compactan bien pruebe deformar los polvo en un
molino de bolas, claro que esto cambiara radicalmente el comportamiento del polvo
y sus características razón por la cual debe volver a caracterizarlos, pero igualmente
esto ayudara a aumentar la resistencia de las piezas en verde.
5) Es imperativo el uso de atmósferas de gases inertes o de altos vacíos del orden de
10-4 Torr durante la sinterización, para poder obtener piezas de Titanio con
composiciones controladas evitando así que debido a las impurezas que pueden
generara por la reactividad del Titanio, las propiedades de estas no sean las
deseadas.
6) Debido a que el laboratorio aún carece de algunos equipos antes de empezar a
trabajar con los polvos es sensato revisar que hay, que no hay y que falta por
adecuar, al tener esta lista trabaje en estos puntos y trate de solucionarlos ojalá en
grupo para darles una pronta solución y pueda desarrollar su proyecto de la mejor
forma posible.
6. LISTA DE REFERENCIAS.
6.1. BIBLIOGRÁFICAS:
[1]. V.A.R. Henriques, H.R.Z. Sandi, G.C. Coelho, C.R.M. da Silva; Microestructural evolution during hot pressing of the blended elemental Ti_6%Al_7%Nb alloy; Mater. Sci. Eng. A347 (2003) 315-324.
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[3]. F.H. (Sam) Froes; Developments in Titanium P/M; Institute for Materials & Advanced Processes (IMAP); University of Idaho, Mines Building 312 Moscow, ID 83844-3026; 2002.
[4]. Llego la hora del Titanio; Publicado en Revista Creces (Chile), Septiembre 2001; Para ver articulo ir a http://www.creces.cl
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[7]. Goetzel, Claus Guenter / Treatise on powder metallurgy; New York: Interscience, [1949].
[8]. Rodríguez Plata, Juan Sebastián / Diseño y construcción de un molino y un mezclador para el procesamiento de polvos metálicos; Tesis (Ingeniero Mecánico) Universidad de los Andes.
[9]. Randall M. German / Powder Metallurgy Of Iron And Steel, John Wiley & Sons, Nueva York, 1998.
[10]. Donachie, Matthew J., “Titanium: a technical guide”, 2nd ed. ASM International, 2000.
[11]. George F. Vander Voort / Metallography, principles and practice, Materials Park, Ohio; ASM International, 2000.
[12]. ASM Hand Book. Vol. 7 “Powder Metallurgy”, 5th ed. 1993. [13]. ASTM E8-04 / Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials,
ASTM International. [14]. Eric Nyberg, Megan Millerb, Kevin Simmonsa, K. Scott Weila / Microstructure and
mechanical properties of titanium components fabricated by a new powder injection molding technique, 2004.
[15]. K. Scott Weil, Eric Nyberg, Kevin Simmons / A new binder for powder injection molding titanium and other reactive metals, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA 99352, United States, 2006.
[16]. Shigley, Joseph Edward / Mechanical engineering design; 7th ed., Boston, MA; Bogotá: McGraw Hill, c2004.
[17]. Harvey, John F. / Theory and design of pressure vessels; 2nd ed., Van Nostrand Reinhold, c1991.
[18]. Campo Schickler, Fritz Andrés / Montaje de laboratorio para el procesamiento de polvos metálicos y sinterización por plasma; Tesis (Ingeniero Mecánico) Universidad de los Andes.
[19]. Serrano Vergel, Carlos Hernando / Caracterización, acondicionamiento y compactación a partir de polvos de carburo de tungsteno y colbato manométricos y micrométricos; Tesis (Ingeniero Mecánico) Universidad de los Andes.
[20]. Blanco Acuña, Darío / Producción y caracterización magnética de probetas a partir de polvos metálicos de Fe y Fe-Ni para aplicaciones magnéticas; Tesis (Ingeniero Mecánico) Universidad de los Andes.
[21]. Acero García, Juan P. /Caracterización De Polvos Metálicos; Tesis (Ingeniero Mecánico) Universidad de los Andes.
[22]. Randall M. German /Sintering Theory and Practice. John Wiley & Sons, Inc. USA. 1996.
[23]. Randall M. German / Powder Metallurgy Science, MPIF 2nd ed. 1997. [24]. Randall M. German & Animesh Bose / Injection molding of Metals and Ceramics,
MPIF 1997. [25]. Bebas C. Mutsuddy / Injection molding, Institute of Materials Processing, Michigan
Technological University.[26]. Dean Mo Liu / Particle packing and rheological property of highly-concentrated
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[27]. Randall M. German / Theory of Thermal Debinding, The international Journal of Powder Metallurgy, Volume 23, No. 4; American Powder Metallurgy Institute 1987.
[28]. Pease Leander F. III, & West William G. / Fundamentals of Powder Metallurgy, MPIF 2002.
[29]. Gómez Vargas, Rafael / Caracterización de materiales magnéticos Fe 50Ni en verde obtenidos por compactación de polvos; Tesis (Ingeniero Mecánico) Universidad de los Andes.
[30]. ASTM B 331 / Standard Test Methods for Compressibility of Metal Powders in Uniaxial Compaction, ASTM International.
[31]. ASTM B 212 / Standard Test Methods for Apparent density of Free Flowing Metal Powders, ASTM International.
[32]. ASTM B 213 / Standard Test Methods for Flow Rate of Metal Powders, ASTM International.
6.2. INTERNET:
[I]1. Steven Mussman, Materials World Vol. 7 no. 11, pp. 677-78, November 1999;
recuperado el (12 de septiembre de 2006, a las 11:53 AM) de:
http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=924#_Advantages_of_HIP%E2%80%99ed
[I]2. KOBELCO (Kobe Steel, Ltd.), información recuperada el (12 de septiembre de 2006, a
las 11:58 AM) de: http://www.kobelco.co.jp/p109/05/p165e.htm
[I]3. http://es.wikipedia.org/wiki/Titanio
[I]4. http://www.proexport.com.co
[I]5. http://education.jlab.org/itselemental/ele022.html
[I]6. http://www.sinab.unal.edu.co/contenido/recursos/catalogos.php
[I]7. http://zulia.colciencias.gov.co/portalcol/
[I]8. http://www.bruker-nonius.com/index.php?id=526&L=2
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114
7. LISTA DE FIGURAS Y TABLAS.
7.1. Lista de Imágenes:
Figura 1. Propiedades Del Titanio como material elemental; Ref. [10]. ...............................7
Figura 2. Apariencia de las estructuras cristalinas del Titanio a nivel atómico. (a)
Hexagonal compacta HCP. (b) Cúbica centrada en el cuerpo BCC; Ref. [10].....................8
Figura 3. Esquema que muestra los efectos de los elementos aleantes en la estructura y
algunas propiedades seleccionadas (aleaciones representativas observadas); Ref. [10]. ..8
Figura 4. Histograma Exportaciones colombianas de minerales de Titanio hasta abril de
2006; Ref. [I]3. ....................................................................................................................13
Figura 5. Algunas formas de partículas de polvo y sus métodos de manufactura, Ref. [12].
............................................................................................................................................17
Figura 6. Colección de posibles formas de partículas y los descriptores cualitativos
sugeridos. Ref. [23].............................................................................................................17
Figura 7. Micrografías donde se muestran formas comunes de partículas en polvo suelto
descritas en la norma ISO 3252; a) Acicular (forma de agujas), b) Angulares, c)
Dendrítico, d) Fibroso, e) hojuelas (Flaky), f) Granular, g) Irregular, h) Nodular, i)
Esferoidal; Ref. [12]. ...........................................................................................................18
Figura 8.Esquema determinación de características de las partículas; Ref. [12]..............19
Figura 9. Dibujo esquemático de una instalación típica de un SEM; Ref. [12]. ..................22
Figura 10. Dibujo esquemático de los tamices apilados en orden; Ref. [23]......................23
Figura 11. Técnicas para medir tamaño de partículas con formas irregulares; Ref. [21]. ..25
Figura 12. Proceso de emisión de fotoelectrones; Ref. [12]...............................................28
Figura 13. Dimensiones y esquemas de montaje de los equipos para determinación de la
densidad aparente; Ref. [12]. .............................................................................................30
Figura 14. Esquema del flujo conceptual del proceso (MIM); Ref. [24]. ............................35
Figura 15. Tres posibles situaciones en la mezcla polvo/ligante; a) exceso de ligante, b)
critica, c) Exceso de polvo; Ref. [24] ..................................................................................38
Figura 16. Cambios de densidad y viscosidad en las cargas sólidas, correlacionando el
punto máximo de densidad en la carga critica sólida con el punto donde la viscosidad se
vuelve efectivamente infinita; Ref. [24]. ..............................................................................39
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115
Figura 17. Torque de mezcla como función del tiempo de mezcla a varios niveles de
carga sólida. Una vez se sobrepasa la carga crítica sólida, la carga excesiva hace
inestable la mezcla; Ref. [24]..............................................................................................42
Figura 18. Esquemas de geometrías de mezcladores típicos: extrusoras de tornillo doble y
sencillo, leva gemela, cuchilla sigma, doble planetario, extruzora de embolo; Ref. [24]...43
Figura 19. Esquema aparato para extracción supercrítica; imagen recuperada de
http://sfpl.snu.ac.kr/scf%20information/photo/extraction/49-1.gif .......................................45
Figura 20. Diagrama de Venn (MIM/PIM); Ref. [23] ...........................................................46
Figura 21. Diagrama de flujo del proceso de compactación; Ref. [23] ...............................47
Figura 22. Micrografía por escaneo de electrones de un lubricante antes de ser mezclado
con el polvo; Ref. [9] ...........................................................................................................48
Figura 23. Comparación de los efectos del lubricante sobre la densidad sinterizada y la
resistencia de un acero aleado compactado a 690 MPa y sinterizado a 1265ºC; Ref. [9] .50
Figura 24. Gráficas comparativas del efecto del lubricante sobre: Densidad aparente, Tasa
de flujo, y Densidad del verde; Ref. [23].............................................................................51
Figura 25. Variación de la presión de eyección dependiendo de la cantidad de lubricante
(wt% Esterato de zinc); Ref. [9] ..........................................................................................52
Figura 26. Esquema que muestra una situación donde se presenta el fenómeno
“Springback”; Ref. [9]..........................................................................................................52
Figura 27. Juego convencional de dado y punzones para compactación de polvos; Ref.
[23]......................................................................................................................................52
Figura 28. Movimientos de la herramientas durante el ciclo de compactación de polvo;
Ref. [23] ..............................................................................................................................53
Figura 29. Acciones de prensas; Ref. [28]..........................................................................54
Figura 30. Balance de fuerzas durante compactación en dado; Ref. [23]..........................54
Figura 31. Esquemas de procesos CIP, Derecha: proceso de bolsa mojada. Izquierda:
proceso de bolsa seca; Ref. [I]2 .........................................................................................57
Figura 32. Diagrama general de los diversos procesos de sinterización; Ref. [22]............59
Figura 33. Esquema donde se muestra los posible trayectos del movimiento de los átomos
involucrados en la unión de las partículas y contracción de los poros para tres partículas
durante el proceso de sinterización; Ref. [9] ......................................................................61
Figura 34. Vista simple de las etapas durante la sinterización; Ref. [24] ...........................62
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116
Figura 35. Modelo de dos esferas para sinterización, dos granos de diámetro D se están
uniendo con un cuello de diámetro X; Ref. [22]..................................................................62
Figura 36. Der. Geometrías de los poros según su ubicación; Izq. Secuencia de los pasos
que llevan a la esferoidización y aislamiento de un poro; Ref. [22]....................................63
Figura 37. Esquema donde se muestran el ensamble y las partes del mezclador. ...........67
Figura 38. Plano de la probeta para ensayos de tracción, las unidades están en mm, y el
espesor de la misma es de 2 mm.......................................................................................68
Figura 39. Micrografía de la forma de los polvos obtenidas por (SEM); Izq. Partículas
pequeñas tamaño menor a 45 m (700X); Der. Partículas gruesas tamaño entre 106 y 150
m (500X). ..........................................................................................................................70
Figura 40. Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM). ....................72
Figura 41.Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM). .....................72
Figura 42. Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM). ....................72
Figura 43. Micrografía partículas finas de polvo de Titanio, a 700X (SEM). ....................72
Figura 44 . Histograma distribución de tamaños partículas finas. ......................................73
Figura 45. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de
parafina, a 500X (SEM). ....................................................................................................74
Figura 46. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de
parafina, a 500X (SEM). ....................................................................................................74
Figura 47.Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de
parafina, a 500X (SEM). ....................................................................................................74
Figura 48. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de
parafina, a 500X (SEM). ....................................................................................................74
Figura 49. Micrografía partículas gruesas de polvo de Titanio con recubrimiento de
parafina, a 500X (SEM). ....................................................................................................75
Figura 50. Histograma distribución normal e histograma polvos gruesos .........................76
Figura 51. Montaje para determinación de densidad aparente y tasa de flujo. ..................78
Figura 52. Báscula digital Sartorius 2003-MP1. .................................................................79
Figura 53. Micrografías SEM 500X de partículas gruesas; [1] formación de dendritas Ref.
[23], [2] deformación superficial debido al mezclado con parafina, [3] fractura de una
partícula después de mezclar con parafina. .......................................................................81
Figura 54. Micrografía (SEM) 700X. Marcas de dendritas sobre superficie polvos finos. .82
Figura 55. Foto mezclador de flujo cruzado fabricado........................................................82
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117
Figura 56. Curva de variación de la densidad aparente por mezcla. .................................83
Figura 57. Micrografía SEM de los polvos mezclados 60/40 después de una compactación
fallida, amplificación a 500X, a 30 kV. ................................................................................84
Figura 58. Grafica análisis químico por EDS......................................................................85
Figura 59. Esquema del ensamble de la matriz de dado flotante de doble acción. ...........86
Figura 60. Enmallado modelo del dado utilizando sólido tipo 95........................................89
Figura 61. Condiciones de frontera modelo del dado, las cargas están en Rojo, y las
restricciones de empotramiento en flechas moradas. ........................................................89
Figura 62. Solución de los esfuerzos generados dentro del dado......................................90
Figura 63. Fotos de la matriz en la realidad y el montaje en la maquina INSTRON. .........91
Figura 64. Esquema del primer paso, llenado de la matriz. ...............................................92
Figura 65. Esquema segundo paso de llenado de la matriz...............................................92
Figura 66. Tercer paso para llenado de la matriz ...............................................................93
Figura 67. Foto de la prensa montada sobre la maquina INSTRON 5586.........................94
Figura 68. Montaje para remoción de las piezas................................................................95
Figura 69. Foto pieza compactada solo superficialmente. .................................................96
Figura 70. Foto de polvos adheridos a las paredes de la matriz debido a lubricación de
paredes utilizando Teflón....................................................................................................97
Figura 71. Foto de resultados compactación de solo polvos gruesos lubricados con ácido
esteárico. ............................................................................................................................97
Figura 72. Foto de la arafina siendo disuelta en Pentano con ayuda de un agitador
magnético. ..........................................................................................................................99
Figura 73. Foto de la mezcla manual del lubricante con el polvo.......................................99
Figura 74. Foto piedras que se formaron durante la remoción del pentano.....................100
Figura 75. Polvo antes de lubricar con parafina; Der. Polvo des pues de lubricar con
parafina.............................................................................................................................100
Figura 76. Foto de la pieza obtenida sin lubricación de paredes. ....................................101
Figura 77. Foto de la pieza resultante al utilizar parafina para lubricación de pared. ......101
Figura 78. Foto matriz piezas para flexión a tres puntos; diseñada por Rafael Gómez
Vargas para su proyecto de grado de ingeniero mecánico. .............................................102
Figura 79. Foto de la pieza obtenida en matriz de flexión a tres puntos. ........................103
Figura 80. Foto ligante y polvo por separado; Izq. 38 %Vol. de ligante, Der. 62 % Vol. de
polvos de titanio................................................................................................................103
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118
Figura 81. Foto de la pre-mezcla entre el polvo y el ligante. ..........................................104
Figura 82. Foto del Feedstock con masa menor a 140 g (70 g)......................................105
Figura 83. Foto del Feedstock obtenido al remover la mezcla al estabilizarse el torque.
..........................................................................................................................................105
Figura 84. Foto del Feedstock obtenido después de dejar enfriar un poco la mezcla. ...106
Figura 85. Gráfica de torque contra tiempo para mezcla 2. .............................................106
Figura 86. Gráfica de torque contra tiempo de la mezcla 3..............................................107
7.2. Lista de tablas:
Tabla 1. Factores de forma y sus definiciones; Ref. [21]....................................................20
Tabla 2. Métodos típicos para medición de partícula y distribución de tamaño; Ref. [21]..23
Tabla 3. Tamaño de tamiz y su correspondiente tamaño de partícula; Ref. [23]. ..............24
Tabla 4. Polvo ideal; Ref. [24].............................................................................................36
Tabla 5. Atributos ligante ideal; Ref. [23]............................................................................37
Tabla 6. Lubricantes comunes y sus características; Ref. [9] ............................................49
Tabla 7. Tamizaje partículas gruesas.................................................................................71
Tabla 8. Tamizaje partículas finas. .....................................................................................71
Tabla 9. Resultados conteo a partir de las fotos de los polvos finos.................................72
Tabla 10. Resultados conteo a partir de las fotos de los polvos gruesos..........................75
Tabla 11. Valores de densidad aparente de polvos gruesos y finos. .................................79
Tabla 12. Tasa de fluidez polvos gruesos ..........................................................................80
Tabla 13. Densidades obtenidas por cada mezcla.............................................................83
Tabla 14. Tasa de flujo mezcla 60-40 polvos. ....................................................................84
Tabla 15. Diámetro externo para materiales según Lamé..................................................87
Tabla 16. Cálculos de diseño para dado y punzón como recipiente cilíndrico a presión ...88
Tabla 17. Análisis por teoría de columnas para el punzón.................................................88
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8. ANEXOS.
Los anexos que se incluyen son: Planos de los punzones, del dado, de las probetas como
deberían quedar, del mezclador; información sobre técnicas de caracterización y del
titanio.
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Planos de la matriz:
Da
do
Pu
nzo
ne
s
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Probeta
Ensamble
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Planos Mezclador:
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[A.T]1. INFORMACIÓN SOBRE EL TITANIO:
a. Historia
El titanio (llamado así por los Titanes, hijos de Urano y Gea en la mitología griega) fue
descubierto en Inglaterra por William Gregor en 1791, a partir del mineral conocido como
ilmenita (FeTiO3). Este elemento fue descubierto de nuevo años más tarde por el químico
alemán Heinrich Klaproth, en este caso en el mineral rutilo (TiO2) y fue él quien en 1795 le
dio el nombre de titanio.
En 1910 Matthew A. Hunter preparó por primera vez titanio metálico puro (con una pureza
del 99.9%) calentando tetracloruro de titanio (TiCl4) con sodio a 700-800ºC en un reactor
de acero.
El titanio como metal no se usó fuera del laboratorio hasta que en 1946 William Justin
Kroll desarrolló un método para poder producirlo comercialmente: mediante la reducción
del TiCl4 con magnesio, y éste es el método utilizado hoy en día (proceso de Kroll); Ref.
[I]3.
b. Porque Usar Titanio Y Aleaciones:
Aunque no se le dio mucho uso hasta la segunda mitad del siglo 20, tiene acumulados 50
años de experiencia en práctica industrial moderna y diseño de aplicaciones para apoyar
su uso; Ref. [4].
Mucho de este uso se ha dado en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (Ej. SR71)
y en turbinas de gas, usos mas recientes se presentan en ítems como palos de golf y
bicicletas; algunos de los beneficios que son ofrecidos por el titanio y con los que ha
podido encontrar su nicho en la industria, ilustran la base para la extensión de su uso:
El titanio es un elemento que se puede encontrar en cualquier punto del universo.
Ha sido detectado en las estrellas, en el polvo interestelar, en meteoritos y en la
corteza de la Tierra.
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135
El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza de la Tierra, con un
0,6 % en peso, si bien no es tan frecuente su existencia en concentraciones que
hagan económicamente viable su extracción. Está presente en numerosas rocas
ígneas y en los sedimentos derivados de ellas, y también en muchos silicatos
reemplazando al silicio. Su abundancia cortical estimada es de 5.65×103
miligramos por kilogramo y su abundancia oceánica estimada es de 1×10-3
miligramos por litro.
Su densidad es de aproximadamente un 60% la del acero y superaleaciones base
Níquel.
Su esfuerzo máximo (como aleación) es comparable con la de un acero inoxidable
martensítico de baja resistencia y es mejor que la de uno austenítico o ferrítico.
Las aleaciones comerciales mantienen una resistencia útil a temperaturas
alrededor de 600 ºC dependiendo de su composición; algunos sistemas como los
aluminuros de titanio (TiAl), mantienen una resistencia útil por encima de estas
temperaturas.
El costo del Titanio aunque es aproximadamente 4 a 6 veces mayor al del acero
inoxidable es comparable con el de una superaleación. Esto puede cambiar debido
a un nuevo proceso de obtención de titanio descubierto en del departamento de
Ciencias de los Materiales y Metalúrgica de la Universidad de Cambridge
(Inglaterra) el precio del Titanio puede ser reducido en un 75% de su costo actual1.
Es excepcionalmente resistente a la corrosión, a menudo supera la resistencia del
acero inoxidable en muchos ambientes, y tiene una resistencia a la corrosión
excepcional en el cuerpo humano (la resistencia a la corrosión que presenta es
debida al fenómeno de pasivación que sufre, se forma un óxido que lo recubre).
1 Articulo publicado en la revista New Scientist, Junio 2001 Pág. 44; Publicado en Revista Creces, Septiembre 2001
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Es procesable por cualquier proceso de manufactura conocido (aunque el polvo
tiene un costo alto, la metalurgia de polvos ofrece un mejoras en propiedades y
procesamiento al igual que una potencial reducción en los costos).
c. Precauciones
Es el único elemento que se quema en una atmósfera de Nitrógeno puro, el polvo fino es
pirofórico (Capacidad de un químico de entrar en ignición en forma espontánea con el aire
a 54 °C (130 °F) o menos). Por otra parte, se cree que sus sales no son especialmente
peligrosas. Sin embargo, sus cloruros, como TiCl3 o TiCl4, son considerados como
corrosivos. El titanio tiene también la tendencia a acumularse en los tejidos biológicos;
(para mayor información y detalles ver Anexo Titanium Information Group DATA SHEET
No 17, Safety Guidelines for Processing & Handling Titanium (Issue 1 Feb 2003)) Ref. [I]3.
d. Aplicaciones
Las siguientes son las principales aplicaciones del Titanio en la industria; Ref. [I]3:
Aproximadamente el 95% del titanio se consume como dióxido de titanio (TiO2), un
pigmento blanco permanente que se emplea en pinturas, papel y plásticos. Estas
pinturas se utilizan en reflectores debido a que reflejan muy bien la radiación
infrarroja.
Debido a su resistencia, baja densidad y el que puede soportar temperaturas
relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y misiles.
Actualmente se usa mucho para implantes dentales. También se encuentra en
distintos productos de consumo como: palos de golf, bicicletas, etcétera. El titanio
se alea generalmente con aluminio, hierro, manganeso, molibdeno y otros
metales.
Debido a su gran resistencia a la corrosión se puede aplicar en casos en los que
va a estar en contacto con el agua del mar, por ejemplo, en hélices. También se
puede emplear en plantas desalinizadoras.
Se emplea para obtener piedras preciosas artificiales (Titania).
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137
El tetracloruro de titanio (TiCl4) se usa para irisar el vidrio y debido a que en
contacto con el aire forma mucho humo, se emplea para formar artificialmente
pantallas de humo.
Se considera que es fisiológicamente inerte, por lo que el metal se emplea en
implantes de titanio, consistentes en tornillos de titanio puro que han sido tratados
superficialmente para mejorar su oseointegración; por ejemplo, se utiliza en la
cirugía maxilofacial debido a estas propiedades, y usándose también como placas
o clavos en diversos tipos de cirugías. También por ser inerte y además poder
colorearlo se emplea como material de "piercings".
También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos
edificios, como por ejemplo el Museo Guggenheim de Bilbao.
Algunos compuestos de titanio pueden tener aplicaciones en tratamientos contra el
cáncer. Por ejemplo, el cloruro de titanoceno en el caso de tumores
gastrointestinales y de mama.
[A.C]1. Caracterización
a. Forma
Análisis cuantitativo de forma de las partículas por microscopia óptica:
Esta es una técnica donde se observan las partículas individualmente y trata de
descifrarse la forma de las partículas a través de mediciones y comparaciones contra una
referencia pre-establecida (patrón). Muchas de las mediadas que se obtienen son
subjetivas, esto debido a que muchas de las partículas estudiadas tienen formas
irregulares cuando son observadas a través de un microscopio (Figura 87); Ref. [21].
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Figura 87. Imágenes obtenidas por microscopia óptica de partículas con forma esférica (b, c, d, e, f) comparadas contra un patrón (a); Ref. [21]
b. Tamaño y distribución
Dispersión de luz:
Esta técnica es un método rápido, reproducible y conveniente para la determinación de
tamaño y distribución de tamaño de las partículas. Puede utilizarse para partículas que se
encuentren en una distribución de tamaños entre (0.1 y 300) m.
El principio de este método está basado en el fenómeno de difracción de luz; ya que la luz
es una onda electromagnética, para partículas grandes comparadas con la longitud de
onda de luz se aplica la teoría de difracción de Fraunhofer para realizar mediciones. Al
hacer incidir una fuente de luz sobre pequeñas partículas, esta es dispersada o difractada
en diferentes direcciones cuyos ángulos tienen un valor inversamente proporcional al
tamaño de las partículas. El escaneo de la distribución de los ángulos del flujo de luz
permite obtener información sobre la distribución del tamaño y el tamaño de las partículas
presentes; Ref. [12].
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Figura 88. Esquema del principio de difracción de Fraunhofer, Los polvos hacen las veces de la pantalla oscura con agujeros (la luz pasa a través de los espacios entre los polvos); Ref. [21].
La información relacionada con el área transversal de la partícula está contenida en la
medición del flujo dispersado total. Para lograr una operación exitosa del instrumento es
necesario asumir que la concentración de los polvos es lo suficientemente baja para que
la dispersión múltiple sea insignificante, y que las partículas son esféricas.
Para una partícula con un radio (a) lo suficientemente grande comparado con la longitud
de onda, la distribución de intensidad del patrón Fraunhofer está dada por la siguiente
relación:
2
142)(kaw
kawJaEkwI
Ecuación. 1; Ref. [12].
Donde E es el flujo por unidad de área del rayo incidente; k = 2 / , con siendo la
longitud de onda de la luz, w = seno ( ), donde es el ángulo relativo de la dirección del
rayo incidente; y J1 es la función de Bessel de primer orden de la primera clase.
Si el flujo total difractado es recolectado y medido, se genera una señal, la cual es
proporcional al cuadrado del diámetro de la partícula, permitiendo una medición directa
del área transversal o del área superficial de la esfera; Ref. [12]. A partir de esto el flujo
total difractado por la partícula se puede expresar como:
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140
2
0
2
12
1
0
)(2
**2)(
EaaF
x
xJEaaF
wwwIaF
Ecuación. 2; Ref. [12].
Sedimentación:
El análisis de tamaño de partícula por sedimentación es mejor utilizado para partículas de
tamaños pequeños.
El principio se basa en que las partículas que se estén asentando en un fluido (líquido o
gas) alcanzan una velocidad terminal, la cual depende del tamaño de la partícula y de la
viscosidad el fluido. A partir de esto el tamaño de la partícula puede ser estimado con la
velocidad de asentamiento.
El tamaño nominal de las partículas para usar en este método está entre (0.02 a 100) m,
la densidad del fluido es proporcional al tamaño de las partículas que se van a analizar, si
se quiere aplicar este método a partículas mas grandes son necesarios fluidos con altas
viscosidades.
Este análisis utiliza una altura de asentamiento predeterminada y ubica un polvo disperso
en la parte superior de un tubo. Usualmente esta prueba se lleva a cabo en un fluido
como agua, pero se puede utilizar aire para partículas pequeñas. La medición de la
cantidad de polvo asentándose en la base del tubo (peso o volumen) contra el tiempo de
asentamiento permite el cálculo de la distribución del tamaño de partículas. Debe ser
obvio que las partículas de mayor tamaño se asentaran más rápido, mientras que las que
tengan tamaños pequeños tomaran tiempos considerablemente más grandes para
asentarse.
Asumiendo que las partículas presentes en el fluido son esféricas, el asentamiento a una
velocidad terminal en un medio viscoso está representado por un balance de fuerzas
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141
(Figura 89), donde la fuerza gravitacional es la que genera el asentamiento de las
partículas debido a su mayor densidad; Ref. [23].
Figura 89. Imagen del balance de fuerzas actuantes en el medio viscoso; Ref. [23].
La fuerza gravitacional FG se puede expresar como:
Ecuación. 3; Ref. [23].
Donde g es la gravedad, m es la densidad de la partícula y D el diámetro de la partícula;
la fuerza boyante FB es determinada por el volumen desplazado de un fluido por la
partícula:
Ecuación. 4; Ref. [23].
Donde f es la densidad del fluido; Por último la fuerza de arrastre viscosa FV está dada
por:
Ecuación. 5; Ref. [23].
Combinando las ecuaciones 3, 4 y 5; se puede determinar la velocidad terminal con la
altura y el tiempo (ley de Stokes):
Ecuación. 6; Ref. [23].
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142
Experimentalmente es más conveniente trabajar con una altura de asentamiento conocida
H, mientras se mide el tiempo de asentamiento t. Para este caso el tamaño de partícula
puede ser calculada a partir del tiempo de asentamiento con la siguiente ecuación:
Ecuación. 7; Ref. [23].
c. Superficie libre especifica de área
Las dos técnicas de mayor importancia para determinar esta característica de los polvos
son:
Método de adsorción de gas: Determina el área superficial de una muestra de
polvo midiendo la cantidad de gas adsorbida (variando las presiones parciales) por
la superficie limpia del polvo (la cual se obtuvo por medio de vacío o por el uso de
un gas inerte) contra la presión parcial. El Nitrógeno es el gas más comúnmente
usado, el Kriptón también a sido usado para áreas superficiales muy pequeñas;
este será el método utilizado durante el desarrollo del proyecto; Ref. [23].
Permeametría o permeabilidad a gas: Mide la resistencia al flujo de un gas a
través de una cama de polvo compactado ya que la permeabilidad a través de una
estructura porosa es dependiente del área superficial asumiendo que el flujo es
viscoso, este método no da información sobre el área superficial de los poros
internos y está restringido a partículas de tamaño entre 0.5 y 50 m; Ref. [23].
Medición De Superficie Específica Por Medio De Adsorción De Gas:
A esta medición se le refiere a menudo como el área superficial especifica BET
(“Brunauer, Emmett y Teller”), el uso de esta técnica está limitado a trabajar con
polvos metálicos finos pero, incluye la superficie interna de poros conectados por la
superficie.
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143
Teoría:
Para determinar la superficie especifica por el método BET se debe conocer la
cantidad de gas adsorbida por la superficie del polvo y el área ocupada por una
molécula del gas adsorbido siendo esta generalmente 16.2 x 10-20 m2 para el
nitrógeno ya que este es el gas mas utilizado.
La cantidad de gas necesaria para formar un recubrimiento en la superficie de una
capa atómica de espesor (Vm), medida en m2, es calculada a partir de una isoterma
de absorción (serie de medidas del Volumen de gas adsorbido (V) como función de la
presión (P)). A partir de estas mediciones se puede calcular (Vm) usando la
siguiente relación derivada por Brunauer, Emmett y Teller.
00
11
CPV
PC
CVPPV
P
mm
Donde Po es la presión de vapor del gas adsorbido en la temperatura de adsorción, C
es una constante relacionada con la entalpía de adsorción. Al graficar PPVP 0
contra P/Po generalmente se produce una línea recta, utilizando la Pendiente (A) y la
intersección (B) de esta, donde Vm = (A+B)-1 y C es lo suficientemente grande para
que la intersección sea cero, La superficie específica de área puede ser calculada por
medio de la siguiente ecuación:
wM
ANVS m 00
Usando M como el peso molecular del gas adsorbido, Ao como el área ocupada por
una molécula del gas adsorbido, No es el número de Avogadro, y w como el peso de
la muestra; Ref. [23].
Como se mide “procedimiento” con aparato BET:
El gas a ser adsorbido es introducido en una bureta, donde se mide su presión con un
manómetro. Después de esto se abre la llave de paso entre la bureta y la muestra,
después de dejar pasar u tiempo para el equilibrio vuelve y se vuelve a medir la nueva
presión en el manómetro.
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144
Figura 90. Esquema aparato BET para adsorción de gas; tomado de http://www.jhu.edu/~chem/fairbr/scheme.jpg 07
El volumen de gas admitido en la cámara con la muestra es proporcional a la
diferencia de presiones entre antes y después de abrir la llave de paso. El volumen
adsorbido es igual al volumen admitido menos el volumen requerido para llenar el
espacio muerto de la cámara de la muestra y las conexiones de la bureta.
Para obtener más puntos de adsorción, se eleva el nivel de mercurio a la siguiente
marca de volumen, estableciendo una nueva presión.
El Helio es utilizado para calibrar el espacio muerto. En todos los cálculos de
adsorción se incluye una corrección para el comportamiento no ideal del Nitrógeno a
temperatura de Nitrógeno líquido; Ref. [12].
Valores típicos2: se pueden medir áreas superficiales desde valores tan bajos como
de 0,01 a más de 3000 m2/g.
d. Análisis químicos de superficie
Espectroscopia por electrones Auger (AES):
En esta técnica, la muestra a ser analizada es bombardeada con electrones. Si un
electrón choca con un electrón en el orbital-k (nivel de energía, Ver Figura 91) con
suficiente energía para liberarlo, el átomo queda en un estado ionizado con una vacancia
2 http://www.microanalitica.com.ar/area.html
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145
en el nivel base. Si el átomo se encuentra cerca de la superficie, tanto el electrón
incidente como el del orbital base son emitidos desde la muestra como electrones retro-
dispersados, con energías por debajo de aproximadamente 25 eV.
Figura 91. Configuración electrónica representativa y transmisión Auger; Ref. [12].
El átomo ionizado sufre un re-arreglo de electrones para alcanzar una configuración de
energía más estable, donde un electrón de un orbital externo llena la vacancia de la orbital
base. La energía liberada debido a esto es emitida como un fotón (fluorescencia de rayos
X), o cedida a otro electrón de orbital externo, el cual es emitido si la energía es lo
suficientemente grande (Transmisión Auger).
La energía de un electrón Auger eyectado es característico de un elemento en particular,
su estado químico, y la transmisión entre los niveles de energía involucrados (KLL, LMM,
o MNN). Así, la energía y la forma de estas características Auger se puede utilizar para
identificar la composición superficial de un material; Ref. [12].
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146
Figura 92. Esquema experimental de un aparato Auger estandar; Ref. [12].
Este equipo consta de una cámara de vació (<10-8 Torr) para evitar la contaminación del
material y reducir las colisiones de los electrones de Auger con los iones del gas, una
pistola de electrones que produce el haz de electrones. Los electrones emitidos son
recolectados y multiplicados por el multiplicador de electrones donde son convertidos en
una señal eléctrica. Debido a que hay una señal de fondo de electrones dispersados
grande, la ocurrencia de un número grande de electrones aparece como un pico pequeño
en una grafica de frecuencia contra energía. Por esta razón la derivada de la curva, N
(E)/dE, es usualmente calculada por un amplificador de cerradura y graficada en un
grabador X-Y; Ref. [12].
Figura 93. Espectro de una espectroscopia AES de una aleación de Titanio PM; Ref. [12].
DATA SHEET No 17 Safety Guidelines for Processing
& Handling Titanium (Issue 1 Feb 2003)
_____________________________________________________________________________________________
Safe procedures exist for titanium melting, casting, and other manufacturing operations and fabrication processes including machining and welding, and for the handling of raw materials particularly sponge and other fines. The more important of these are summarised below, but those considering working with titanium should review in detail recommendations and guidance specific to the processes they plan to use. Titanium is a reactive metal, and in the past, ignorance and inappropriate practices in handling and processing have given rise to serious and sometimes fatal accidents.
Extraction: Titanium sponge, the first stage product of extraction includes fines of high surface area and low mass which are a fire hazard. Precautions are required in the areas where sponge is processed, handled and stored, to avoid mechanical or electrical sparking (including static discharge) or frictional heating – e.g. in crushers, compactors, mixers and blenders. Magnesium, used in the Kroll extraction process presents a separate potential hazard in its own right.
Melting: Titanium melts at around 1600oC. The molten metal is most commonly contained under vacuum or argon in a water-cooled copper crucible. Instances of leakage of water into the melting space, which creates conditions for a steam - hydrogen explosion, have resulted in the complete wrecking of the furnace and surrounding equipment. Thus, cooling water flow and temperature and furnace power should be interlinked; furnaces should have two water supplies the back-up supply preferable being gravity fed. Other furnace safety features to monitor pressure, control and limit explosion damage and protect melt shop personnel are normal. Electrodes produced from bulk welded revert must be securely held together at all points to avoid arcing from the electrode to the crucible wall. NaK (liquid sodium potassium) is a desirable and safer alternative for crucible cooling.
Fines and Sponge: Fine particles of titanium powder easily disperse in air, and their low mass enables them to remain suspended. Ignition can result in a violent explosion. Precautions against sparks and frictional heating as identified above are essential, in addition to control of handling and processing to avoid dust generation or fines accumulation.
Confined Space Entry and Inert Gases: Argon is commonly used in vessels and other equipment in conjunction with melting, processing and handling of titanium. Air and oxygen may be excluded in confined spaces, and the use of breathing apparatus, or a full check of the air quality in a confined space is essential before entry is attempted for any reason whatsoever, - however brief the planned visit may be. The UK Health and Safety Executive guidance notes HSE L101 and Information Document HSE 288/6 provide further information.
Inhalation of Particulates: The UK limit for inhalation is 4mg/m3 of inhalable titanium dioxide (TiO2) particulates in an 8 hour day.
Heating and Heat Treatment : Titanium in bulk, e.g. ingots, billets, may safely be heated for working at temperature typically up to 1200oC. Electric furnaces using atmospheric air are acceptable, as are gas or oil fired furnaces in which a minimum 3% excess of oxygen is maintained. Direct flame impingement onto the titanium must be avoided. Controlled atmosphere furnaces using hydrogen, nitrogen or cracked ammonia are totally unsuitable for titanium. At higher temperatures titanium may react at contact points with refractory hearths
or bearers, and with mill scale if present from previous heating of carbon and low alloy steels. Furnaces in which titanium is to be heated should be cleaned before charging, and in the case of refractory hearths, the titanium should be laid for its protection on sheets of stainless steel.Unless a thermally oxidised finished is desired or acceptable, heat treatment of titanium in vacuum or argon is essential if there is to be no further surface processing, e.g. machining or pickling after heat treatment.
Descaling and Pickling: Hot salt baths and strong mixed acids, (typically hydrofluoric and nitric acids), used for descaling and pickling of titanium must be operated in accordance with supplier instructions and with mandatory use of safety clothing, face masks, gloves and other protective equipment. The UK Health and Safety Executive Information Document HSE 652/1 provides further information.
Grinding Titanium: Dry grinding fines present a particular hazard, and may be ignited by sparks from the grinding process. Effective dust extraction combined with regular removal of accumulated dust is essential. Care is required in the design of extraction equipment to avoid corners where dust can collect, and to facilitate regular and thorough cleaning.
Machining Titanium: Accumulations of titanium turnings represent a fire hazard, particularly if mixed with oily rags, paper or other easily ignited waste materials. Machines should be regularly cleared of swarf, which should be placed in sealed drums, clearly marked and segregated from other waste.
Fabricating Titanium: The use of gloves is recommended particularly for handling sheet with sheared edges, which may be uneven and very sharp. Fabrication scrap should be cleared regularly from the workplace and kept separate from other metal scrap and waste materials in clearly marked containers. The UK Health and Safety Executive Information Document HSE 668/25 provides further information.
Welding Titanium: Whilst there is ozone but generally no fume generated when TIG (GTAW) welding of titanium, both fume and ozone are issues with MIG (GMAW). No data yet exists on these hazards as related to titanium. The UK Health and Safety Executive Information Document HSE 288/6 provides further information.
References additional to those given in the text:
1. Occupational Exposure Limits - Guidance Note EH40 Department of Employment (HMSO).
2. Documentation of the Threshold Limit for substances in Workroom Air Values - American Conference of Government Industrial Hygienists.
3. Production, Processing, Handling and Storage of Titanium Leaflet NFPA 481. National Fire Protection Associations (U.S.A.).
4. ‘Safety Related Problems in the Titanium Industry in the last 50 years’, Eldon Poulson, Journal of Metals, May 200 pp 13 –17
FOR FURTHER INFORMATION
Dr. Neil Lowrie tel. +44 (0) 1709 722 463 Fax. +44 (0) 1709 724 999, [email protected]
www.titaniuminfogroup.co.uk
The data and other information contained in this Data sheet are derived from a variety of sources which the Titanium Information Group believes to be reliable. Because it is not possible to anticipate every use or operating condition, you are urged, if in doubt, to consult with the appropriate safety authorities or qualified personnel of the supplier company.