trabajosistemas de manufactura de polvos metÁlicos
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SISTEMAS DE MANUFACTURA DE POLVOS METÁLICOS
RESUMEN
La manufactura de polvos es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen partes a partir de polvos metálicos.
Este proceso, una vez obtenidos los polvos metálicos se puede resumir en tres partes principales: la mezcla, el compactado y el sinterizado. Las herramientas que consisten generalmente en un dado y uno o más punzones, pueden ser costosas y por esto es más adecuada para niveles medios y altos de producción.
ABSTRACT The manufacture of powder processing is a technology in which metal parts are produced from powdered metal. This process, once the metallic powders obtained can be summarized in three main parts: the mixing, compacting and sintering. The tools usually consist of a die and one or more punches, can be expensive and therefore more suitable for medium and high levels of production.
METALURGIA DE POLVOS
La metalurgia de polvos es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen partes a partir de polvos metálicos. Para la producción los polvos se comprimen para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión de las partículas en una masa dura y rígida. Las herramientas que consisten generalmente en un dado y uno o más punzones, pueden ser costosas y por esto es más adecuada para niveles medios y altos de producción.
El uso de los metales en polvos se remonta a varios centenares de años atrás. Los polvos de oro, cobre y algunos óxidos metálicos se usaban con propósitos decorativos (para decorar piezas cerámicas), se cree que los egipcios usaban la metalurgia de polvos para hacer herramientas desde hace unos 3000 años A.C
En el campo moderno la metalurgia de polvos data del siglo XIX, al despertarse un gran interés por el platino.
Alrededor de 1815, el ingles William Wollaston desarrollo una técnica para prepara polvos de platino, compactarlo a alta presión y cocerlos al rojo vivo, este proceso mara el principio de la metalurgia de polvos tal como se practica actualmente
En 1870 se expidieron en Estados Unidos patentes a Gwynn relacionadas con rodamientos autolubricantes hechos por metalurgia de polvos, usaba una mezcla de 99% de estaño pulverizado y 1% de petróleo, mezclaba, calentaba y finalmente sometía a alta presión en la cavidad de un molde para lograr la forma deseada.
A principios del siglo XX las lámparas incandescentes se habían convertido en un producto comercial importante, para las cuales se probaron una serie de materiales para los filamentos, concluyendo que el tungsteno era el mejor material para estos. El problema era la dificultad de procesar el tungsteno debido a su alto punto de fusión y sus propiedades únicas, el americano William Coolidge desarrollo un procedimiento donde usaba polvo fino de oxido de tungsteno (WO3) que se reducía a polvo metálico, se prensaba a piezas compactas, se presintetizaba, se forjaba en caliente en barras redondas, se sinterizaba y finalmente se estiraba para formar alambre para filamentos. El Coolidge se sigue usando para producir filamentos de bobillas incandescentes.
Por 1920 se fabricaron herramientas de carburo cementado (WC-Co) mediante técnicas de metalurgia de polvos.
A partir de 1930 se produjeron rodamientos autolubricantes.
Debido a avances tecnológicos de la segunda guerra mundial, la industria de la pulvimetalurgia se creó como tal. Desde entonces y gracias a sus continuos avances, la calidad y utilidad de sus productos ha crecido más rápidamente que cualquier otro proceso de manufactura de piezas metálicas.
Entre 1960 y 1970 se produjeron en masa, particularmente en la industria automotriz, engranajes y otros componentes y en la década
de los ochenta se desarrollaron partes para motores de turbina para aviones.
Este proceso, una vez obtenidos los polvos metálicos se puede resumir en tres partes principales:
1. La mezcla: Se deben mezclar los polvos metálicos con sus respectivas adiciones (dependiendo de las propiedades deseadas para la pieza terminada), creando una mezcla homogénea de ingredientes.2. El compactado: Se compacta la mezcla obteniendo así la forma y el tamaño deseado de la pieza. Este compactado sólo requiere la suficiente cohesión para ser manejada con seguridad y transportada a la siguiente etapa. 3. El sinterizado: Se ingresan las piezas a un horno con temperatura controlada que no exceda el punto de fundición del metal base. A esta temperatura los enlaces mecánicos entre los polvos obtenidos por el compactado se transforman en enlaces metalúrgicos, dándole así sus principales propiedades de resistencia. Este procedimiento se conoce como sinterizado.
Fuera de estos tres procesos que conforman la pulvimetalurgia, se le pueden hacer a la pieza terminada todos los tratamientos térmicos y acabados necesarios para que tenga un óptimo desempeño.
Las consideraciones que hacen de la metalurgia de polvos un proceso importante desde el punto de vista comercial y tecnológico son las siguientes:
Las partes se pueden producir masivamente en forma neta o casi neta, eliminando o reduciendo la necesidad de procesos posteriores.
Los procesos implican muy poco desperdicio de material (cerca del 97% de los polvos iniciales se convierten en producto).
Debido a la naturaleza del material inicial, se pueden hacer partes con un nivel específico de porosidad. Esta característica se presta a la producción de partes de metal poroso, como rodamientos y engranes impregnables con aceite.
Ciertos metales que son difíciles de fabricar por otros métodos, se pueden formar por metalurgia de polvos, ejemplo el tungsteno (los filamentos para lámparas).
Ciertas combinaciones de aleaciones metálicas y cermets que no se pueden producir por otros métodos se pueden hacer por metalurgia de polvos.
Se compara favorablemente con otros procesos en lo que se refiere al control de dimensiones del producto (tolerancias rutinarias de +- 0.005 pulg ó +- 0.13 mm).
Los métodos de producción se pueden automatizar para hacer más económica la operación.
Limitaciones y desventajas asociadas con el procesamiento:
Alto costo del equipo y de las herramientas.
Alto costo de los polvos metálicos. Dificultad en el almacenamiento y
manejo de los polvos metálicos (tales como degradación del metal a través del tiempo y riesgos de incendio del metal en polvo fino)
Limitaciones en la forma de las partes, debido a que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección lateral dentro del dado durante el prensado
Las variaciones en la densidad del material a través de la parte pueden ser un problema, especialmente para partes de geometría compleja.
Aunque se pueden producir partes grandes de hasta 22 Kg la mayoría de los componentes son menores de 2.2 Kg.
CARACTERIZACION DE LOS POLVOS METALICOS
Un polvo se puede definir como un solido dividido en partículas finas.
1. Características geométricas.
La geometría de los polvos individuales se puede definir mediante los siguientes atributos.
1.1. Tamaño de las partículas y su distribución.
1.2. Forma y estructura interna de las partículas.
1.3. Área superficial.
2. Otras características.2.1. Fricción interarticular y características
de flujo.2.2. Compactado, densidad y porosidad.2.3. Composición química y películas
superficiales.
1.1. Tamaño de las partículas y su distribución: El tamaño de las partículas se refiere a las dimensiones de los polvos individuales. Si la partícula es esférica, una sola dimensión es adecuada, para otras formas se necesitan dos o mas dimensiones.
Se dispone de varios métodos para obtener datos sobre el tamaño de la partícula, el más común es usar cribas de diferentes tamaños de malla. Se usa el termino numero de malla para referirse al número de aberturas por pulgada lineal de la criba, un ejemplo: el numero 200 significa que hay 200 aberturas por pulgada lineal, como la malla es cuadrada el numero total de aberturas por pul2 es 2002 = 40000, es decir un número alto de malla indica menor tamaño de partícula.
Suponiendo que la dimensión limitante de la partícula es igual a la abertura de la criba, tenemos:
Donde:
PS: tamaño de la partícula (pulg)
MC: número de malla (aberturas por pul lineal)
Tw: grosor del alambre de la malla (pulg)
Figura 1. Fuente: Groover
Proceso.
Las partículas se separan haciéndolas pasar a través de una serie de cribas de tamaños progresivamente menores de malla, los polvos se colocan sobre una criba de un cierto número de malla y ésta se hace vibrar para que las partículas pequeñas que caben en la abertura caigan a la siguiente criba, la segunda se vacía a la tercera y así sucesivamente, de manera que las partículas se seleccionen de acuerdo a su tamaño. Ejemplo: si el polvo pasa por la malla 200, pero no por la 230, se dice que el tamaño de la partícula es 200.
1.2. Forma y estructura interna de las partículas.
La forma de los polvos metálicos puede catalogarse en varios tipos, existen variaciones tanto en forma como en sus tamaños. Se requiere técnicas microscópicas para determinar las características de la forma. Existen dos tipos de poros en los polvos; poros abiertos: aquellos externos a la partícula individual, es decir en el volumen del polvo suelto, y poros cerrados:
Figura 2. Fuente: Groover
son vacíos internos en la estructura de una partícula individual.
Estos poros pueden influenciar las medidas de densidad.
Figura 3. Fuente: Groover
1.3 Área superficial.
Para partículas esféricas su área y su volumen están dados por:
A = πD2 y V = πD3/6
Donde D: diámetro de la partícula esférica.
La relación de A/V para una esfera esta determinada entonces:
A/V = 6/D
En general esta relación puede expresarse para cualquier forma de partícula (esférica o no esférica), en la siguiente forma:
A/V = Ks / D
Donde Ks: factor de forma, D Volumen equivalente al de una partícula no esférica.
De estas ecuaciones se puede inferir que a tamaños menores de partícula y factores de forma más altos, el área superficial será más alta para el mismo peso total del polvo metálico. Esto significa una mayor área donde puede ocurrir oxidación. El tamaño muy pequeño de la partícula conduce a una mayor aglomeración de las partículas, desventaja para la alimentación automática, por otra parte las partículas pequeñas suministran una contracción más uniforme y mejora las propiedades mecánicas en los productos finales.
2.1 Fricción inter particular y características de flujo.
La fricción entre partículas afecta la disposición del polvo a fluir fácilmente y a compactarse firmemente. Una medida de la fricción
interarticular es el ángulo de reposo, el cual es el ángulo formado por un montón de polvo cuando este se vacía a través de un embudo angosto.
Figura 4. Fuente: Groover
Los ángulos mas grandes indican mayor fricción entre partículas, los tamaños de partículas pequeños generalmente muestran mayor fricción un aumento en el ángulo de reposo.
Las características de flujo son importantes durante el llenado del dado y el prensado. El llenado automático del dado depende de un flujo fácil y consistente de los polvos. En el prensado, la resistencia al fluir incrementa las variaciones de densidades en la parte compactada (estos gradientes de densidad son generalmente indeseables). Una medida del flujo es el tiempo requerido para que una cantidad de polvo (en peso) fluya a través de un embudo de tamaño estándar, los tiempos menores indican mayor facilidad de flujo y menor fricción interarticular. Para reducir la fricación interarticular y facilitar el flujo durante el prensado, frecuentemente se añaden lubricantes a los polvos.
2.2 Compactado, densidad y porosidad.
Las características de compactado dependen de dos medidas de densidad; densidad real: que es la densidad del volumen verdadero del material, esta podría ser la densidad del material si los polvos se fundieran en una masa sólida y densidad volumétrica: es la densidad de los polvos en el estado suelto después de vaciado, esta incluye al efecto de los poros entre partículas. Debido a esto la densidad volumétrica es menor que la densidad real.
El factor de empaquetamiento es la densidad volumétrica dividida entre la densidad real.
Factor de empaquetamiento = densidad volumétrica / densidad real
Los valores típicos para polvos sueltos fluctúan entre 0.5 y 0.7, este factor depende de la forma de la partícula y la distribución de los tamaños de la partícula, si están presentes polvos de varios tamaños los más finos se ajustaran en los intersticios de los más grandes, resultando así un factor de empaquetamiento más alto.
La porosidad representa un camino alternativo para considerar las características de compactación, la porosidad se define como la relación de volumen de los poros (espacio vacío) en el polvo, con respecto al volumen total.
Porosidad + Factor de empaquetamiento = 1.0
2.3 Composición química y películas superficiales.
La caracterización del polvo no sería completa sin una identificación de su composición química, los polvos metálicos se clasifican como elementales, esto significa que consisten en un metal puro o prealeado, en donde cada partícula es una aleación.
Las películas superficiales son un problema en la metalurgia de polvos debido a la gran área por unidad de peso del metal cuando se trata con polvos, las posibles películas incluyen óxidos, sílice, materiales orgánicos absorbidos y humedad, por lo general estas películas deben removerse antes de procesar la forma.
Lineamientos para el diseño de partes.
En los siguientes lineamientos se ofrecen sugerencias de diseño adicionales, recopiladas:
La economía de los procesamientos mediante la metalurgia de polvos requiere grandes cantidades de partes para justificar el costo de del equipo y las herramientas especiales necesarias. Se sugieren cantidades mínimas de 10.000 unidades.
La capacidad de fabricar partes con un nivel controlado de porosidad es una característica única de la metalurgia de
polvos, son posibles porosidades hasta del 50%.
La metalurgia de polvos se puede usar para hacer partes de metales y aleaciones que no son usuales, o en materiales que podrían ser difíciles o imposibles de producir por otros medios.
La forma de la parte permite su remoción del dado después de prensado, esto significa en términos generales que la parte debe tener lados verticales o casi verticales, aunque se pueden hacer escalonados, debe evitarse características de diseño como muescas y perforaciones verticales, por que no interfieren con la remoción. Las perforaciones verticales pueden hacerse de sección transversal no redonda (cuadradas o estiradas) sin aumentar significativamente las herramientas o las dificultades de procesamiento.
Las cuerdas roscales no se pueden fabricar en metalurgia de polvos, si se necesitan, deben maquinarse en la parte a sinterizada.
Los chaflanes y esquinas redondeadas son posible en el prensado, cuando los ángulos son muy agudos se encuentran problemas con la rigidez de los punzones.
El espesor de las paredes debe tener un mínimo de 1.5 mm entre dos perforaciones o entre una perforación y la parte exterior de la pieza. El diámetro mínimo recomendable de la perforación es de 1.5mm
Figura 5. Fuente: Groover
Materiales para la metalurgia de polvos.
Las materias primas para el procesamiento en metalurgia de polvos son más costosas que para otros trabajos de metal, debido a la energía
adicional requerida para reducir el metal a polvo. Se mostrara los materiales y productos que más parecen apropiados para la metalurgia de polvos.
Desde un punto de vista químico, los polvos metálicos se pueden clasificar en elementales y prealeados:
Los polvos elementales consisten en un metal puro y se usan en aplicaciones donde la alta pureza es importante, por ejemplo: el hierro puro puede usarse donde importan sus propiedades magnéticas. Los polvos elementales más comunes son el hierro, de aluminio y de cobre. Los polvos elementales se mezclan con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales que son difíciles de formar por métodos convencionales (ejemplo las herramientas de acero). La metalurgia de polvos permite combinar ingredientes que son difíciles o imposibles por las técnicas tradicionales de aleación. El uso de mezclas de polvos elementales facilita el procesamiento para formar una aleación, aun cuando no involucre aleaciones especiales.
Los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Los polvos prealeados se usan cuando la aleación no puede formularse mediante la mezcla de polvos elementales, el acero inoxidable es un ejemplo importante. Los polvos prealeados más comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad.
Los polvos elementales y prealeados más comunes en orden de tonelaje son:
1. Hierro (mezclado frecuentemente con grafito para hacer partes de acero).
2. El aluminio.3. El cobre y sus aleaciones.4. El níquel.5. El Acero inoxidable.6. El acero de alta velocidad.7. Otros como el tungsteno, el molibdeno
el titanio, el estaño y los metales preciosos.
MEZCLADO Y COMBINACION DE POLVOS
Para lograr buenos resultados en la compactación y el sinterizado los polvos
metálicos necesitan homogenizarse perfectamente antes del proceso. Los términos mezclado y combinación se usan en este contexto: el mezclado se refiere a la mezcla de polvos de la misma composición química, pero posiblemente con diferentes tamaños de partículas, la combinación se refiere a la mezcla de polvos de diferente composición química.
El objetivo en el mezclado de polvos metálicos es producir una dispersión uniforme de aditivos (típicamente grafitos, estearatos metálicos y otros lubricantes) al tiempo que se incrementa la densidad del producto final y una específica fluibilidad.
Una ventaja de esta tecnología es la oportunidad de combinar varios metales en aleaciones que seria difícil o imposible de producir por otros medios
El mezclado y la combinación se realizan por medios mecánicos, algunas alternativas son:
a. Rotación en tambor.b. Rotación en un recipiente de cono
doble.c. Agitación en un mezclador de tornillo.d. Agitación en un mezclador de paletas.
Figura 6
Los mejores resultados se obtienen cuando se llenan entre un 20 % y un 40 %. Los recipientes se diseñan generalmente con bafles internos u otras formas para impedir la cada libre durante el mezclado, debido a que en las variaciones de velocidad de asentamiento de los diferentes tamaños genera agregación, precisamente lo contrario que se busca en el mezclado. No es conveniente que los polvos se sometan a vibración, ya que esto también produce segregación.
Generalmente se añaden otros ingredientes a los polvos metálicos durante el paso de mezclado o combinación, estos aditivos son:
1. Lubricantes: como el estearato de zinc y al aluminio en pequeñas cantidades para reducir la fricción entre las partículas y las paredes del dado durante la compactación.
2. Aglutinantes: que se requieren en algunos casos para lograr una resistencia adecuada en las partes prensadas pero no sinterizadas.
3. Desfloculantes: que inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus características de flujo durante la alimentación.
Tipos de Mezcladores
Históricamente, la industria utilizó mezcladores giratorios cónicos o de pantalón para dispersar los diversos aditivos en los polvos metálicos. Este tipo de mezcladores requieren un largo tiempo de proceso (comúnmente varias horas), para lograr una mezcla aceptable. Igualmente, la calidad de la mezcla era inconstante, particularmente en casos con polvos de densidades muy diversas, y la densidad final no se incrementaba lo deseable.
Con los Littleford FKM el tiempo de ciclo se reduce a menos de 30 minutos. La calidad final del producto es apreciablemente superior y se logra una gran densificación. Estas cualidades son primordiales para la formulación de
compuestos de polvos metálicos de alta calidad.
Figura 8.
tos equipos operan bajo el principio de "fluidizado mecánico" del producto: Un muy intenso movimiento interior de partículas, que logra mezclas muy eficientes de componentes de diversas densidades, dispersiones de líquidos en polvos de alta calidad, encapsulados, granulados, secado de pastas (operando en conjunto con chaqueta de calentamiento y sistema de vacío) y reacciones de alta eficiencia
COMPACTACIÓN
La compactación es un proceso fundamental en la metalurgia de polvos, El propósito de la compactación es consolidar el polvo en la forma deseada y tan cerca como sea posible de las dimensiones finales, impartir el nivel y tipo de porosidad deseado y proporcionar una adecuada resistencia para su proceso posterior.
En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un dado.
En la figura 9 se muestra: 1) llenado de la cavidad del troquel con polvos, por alimentación automática en la producción, 2) posición inicial, 3) posición final de los punzones inferior y superior durante la
compactación, 4) eyección de la pieza. Fuente: Groover
A la parte después de prensada se le llama compacto verde, el termino verde significa que la parte no esta completamente procesada. Como resultado del prensado, la densidad de la parte llamada densidad verde, es mucho más grande que la densidad volumétrica inicial. La resistencia verde de la parte cuando es prensada es adecuada para el manejo pero mucho menor que la que se logra después del sinterizado
La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un reempacado de los polvos en un arreglo más eficiente, elimina los puentes que se forman durante el llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el número de puntos de contacto entre las partículas. Al incrementarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto interparticular aumente y entren en contacto partículas adicionales. Esto viene acompañado de una reducción posterior del volumen de los poros.
La figura 10 muestra el efecto de la presión aplicada durante la compactación. 1) polvos sueltos iniciales después del llenado, 2) rempaquetamiento y 3) deformación de las partículas. También se muestra la densidad asociada representada para las tres vistas como una función de la presión aplicada, densidad de los polvos en función de la presión.
La densidad del comprimido crudo o en verde depende de la presión aplicada. Conforme aumenta la presión de compactación, la densidad del comprimido se aproxima a la del metal en su forma sólida. Un factor importante en la densidad es la distribución del tamaño de las partículas; si todas son del mismo tamaño, siempre habrá cierta porosidad al momento de compactarla; en teoría una porosidad de por lo
menos 24% en volumen. Al introducir partículas mas pequeñas en la mezcla de polvo, se llenan los espacios entre las partículas grandes del polvo y de esa manera se obtiene una densidad superior en el compactado. Cuanto mas alta es la densidad de la pieza compactada mas elevada será su resistencia y modulo elástico, La razón es que cuanto mas alta es la densidad mas alta es la cantidad de metal sólido en el mismo volumen y por lo tanto su resistencia es mayor.
Figura 11. Densidad de compactados de polvo de cobre y hierro en función de la presión de compactado. La densidad influye en gran medida en las propiedades mecánicas y Físicas de las partes de metalurgia de polvos. Fuente: F.V.Lenel.
Figura 12. Efecto de la densidad en la resitencia a la tensión, la elongación y la conductividad eléctrica del polvo de cobre. Fuente: IACS.
Las prensas usadas en la compactación convencional son mecánicas, hidráulicas o una combinación de las dos, La presión puede obtenerse por prensas mecánicas o hidráulicas. Las prensas mecanicas están disponibles con
variaciones de presión de 10 a 150 ton y velocidades de 6 a 150 golpes/min. Las características importantes de las prensas mecanicas son la rapidez de producción a alta velocidad, flexibilidad en el diseño, simplicidad y economía de operación y costos de inversión y mantenimiento relativamente bajos. Las prensas hidráulicas tienen mayores rangos de presión, hasta de 5000 ton, pero menores velocidades de golpeo, generalmente inferiores a 20 golpes/ min. Estas prensas se utilizan para piezas de metal en polvo mas complicadas que requieren mayor presión.
La capacidad de una prensa para producción en Pm se da generalmente en toneladas o kN o MM. La fuerza requerida para el prensado depende del área proyectada de la parte multiplicada por la presión necesaria para compactar los polvos del metal dado F=Ap Pc Donde F es la fuerza requerida (N), Ap el área proyectada de la parte pulg2 (mm2) y Pc la presión de compactación requerida para el material del polvo dado lb/pulg2 (mPa). Las presiones típicas de compactación fluctúan entre 1000 lb/pulg2, 70(MPa) para polvos de aluminio y 100000 lb/pulg2 (700MPa) para polvos de hierro y acero.
Debido a la fricción entre las partículas metálicas del polvo y las superficies del punzón y las partes de la matriz, la densidad en el interior de la parte puede variar en forma considerable. Esta variación se puede minimizar con el diseño adecuado del punzón y de la matriz mediante el control de la fricción. Por ejemplo, podría ser necesario utilizar punzones múltiples con movimientos independientes, a fin de garantizar que la densidad sea mas uniforme en toda la parte, como se muestra en la figura.
Figura 13. Variación de la densidad al compactar polvos metálicos en diversas matrices (a) y (c) prensa de acción simple; (b) y (d) prensa de doble acción. En (d) la mayor uniformidad de la densidad al prensar con dos punzonescon movimiento independiente, en comparación con (c). (e) perfiles de presión en polvo decobre compactado en una prensa de acción simple. Fuente: P.Duwez y L. Zwel.
Sin embargo la variación de densidad puede ser deseable en componentes como engranajes, levas, bujes y partes estructurales. Por ejemplo, es posible aumentar la densidad en lugares críticos en los que son importantes la resistencia elevada y la resistencia al desgaste, y reducirla en donde no lo son. La presión requerida para prensar polvos metálicos va de 70Mpa (Ksi) (para el aluminio) a 800 Mpa (120 KSI) (para piezas de hierro de alta densidad).
Figura 14. Presiones de compactado para diversos polvos, Fuente: S. Kalpakjian
La presión necesaria para compactado depende de las características y a forma de las partículas, del método de mezclado y del lubricante. Las capacidades de prensado van de 1.8 a 2.7 MN (200 a 300 toneladas), aunque se utilizan prensas con mucha mayor capacidad para aplicaciones especiales. La mayoría de las aplicaciones requieren menos de 100 toneladas. La selección de la prensa depende del tamaño de la pieza y su configuración, los requisitos de densidad y la capacidad de producción sin embargo, cuanto más alta sea la velocidad de prensado mayor será la tendencia de la prensa a atrapar aire en la capacidad de la matriz y, de esta manera, evitar la compactación adecuada.
Una característica del prensado convencional es que la presión se aplica uniaxialmente. Esto impone limitaciones sobre la geometría de la parte , ya que los polvos metalicos no fluyen fácilmente en dirección perpendicular a la aplicación de la presión. El prensado uniaxial produce también variaciones de densidad en la compactación, después del prensado.
El prensado isostático:
Permite densidad más uniforme en comparación a la compactación uniaxial en moldes rígidos. Estos métodos se basan en moldes flexibles para la aplicación de presión en todas las direcciones, lo que reduce la fricción y permite la compactación de las formas compactas Para lograr la compactación se usa la presión hidráulica el prensado isostático puede hacerse de dos formas (proceso isostático en frío y proceso isostático caliente.
Prensado isostático en frío: El polvo metálico se coloca en un molde de hule flexible, comúnmente fabricado con hule neopreno, cloruro de polivinilo u otro elastómero, después se presuriza el ensamble hidrostáticamente en una cámara por lo general utilizando agua. La presión más común es 400 MPa (60 Ksi) aunque se pueden usar presiones hasta de 1000 MPa (150Ksi).
Las ventajas de este tipo de prensado incluyen una densidad mas uniforme, herramientas menos costosas y mayor aplicación a corridas cortas de producción. Es difícil lograr una buena presición dimensional en el prensado isostático debido a la flexibilidad del molde. En consecuencia se requieren operaciones de formado y acabado antes o después del sinterizado para obtener dimensiones requeridas.
La presión se aplica simultánea e igualmente en todas direcciones. El polvo se coloca en un molde de hule que se sumerge en un baño líquido dentro de un recipiente de presión, de manera que el fluido pueda sujetarse a presiones altas. Como la presión se aplica uniformemente, es posible obtenerse una densidad verde muy uniforme y una alto grado de uniformidad en las propiedades mecanicas
Prensado isostático en caliente: En la forma básica de este prensado, el polvo se encierra o encapsula en una lata o en una funda deformable de metal, el cual se evacua y luego se coloca en un horno, que a su vez esta dentro de una cámara de pared fría y temperatura elevada, la cámara se presuriza con un gas inerte hasta 300 MPa o mas comúnmente a 100 MPa. Las temperaturas del horno varían de 480 a 2000 c, en una variante de este proceso el polvo se coloca en un molde de vidrio; y en otra, en una concha cerámica. Las piezas presinterizadas de 92 a 95 % de densidad no tienen porosidad interconectada y se tratan sin encapsulado para remover la porosidad residual.
Este método consiste en aplicar presión y temperatura simultáneamente, el moldeado y sinterizado tienen lugar la mismo tiempo lo cual origina densidades mayores y producciones mas grandes, las ventajas en comparación con el procesado en frío es una reducción en el contenido de gas y en los efectos de encogimiento, conjuntamente con mayores resistencias, dureza, elongación y densidad. Se utiliza solo en una extensión limitada, principalmente para producir piezas muy duras de carburo cementado. La principal desventaja es el alto costo de los troqueles que soporten la presión a elevadas temperaturas.
Las ventajas de este tipo de prensado son: debido a la uniformidad de la presión en todas direcciones y a la ausencia de fricción en las paredes de la matriz, produce compactados totalmente densos, con una estructura y densidad de granos uniformes, sin considerar la forma de la pieza. Se han producido partes con altas relaciones de longitud a diámetro, con densidad muy uniforme, resistencia, tenacidad y buen detalle de superficie. Tiene la capacidad de manejar partes mucho mas grandes que las de otros procesos de compactado, las limitaciones que presenta es que tienen tolerancias dimensionales mas amplias que las obtenidas en otros procesos de compactado, el costo del equipo y el tiempo de producción son superiores a los de otros tipos de compactación.
Laminación:
Los polvos pueden comprimirse n una operación de laminado para formar material
metálico en tiras. El proceso se dispone comúnmente para operar de manera continua o semicontinua. Los polvos metálicos se compactan entre dos rodillos para formar una tira fresca que alimenta directamente a un horno de sinterizado y después se enfría, se lamina y se vuelve sinterizar.
Extrusión
la extrusión es un proceso básico de manufactura, en la extrusión de polvos, el polvo inicial puede tener formas diferentes en le
método más popular Los polvos se colocan al
vacío en una lata de lámina metálica hermética, se calientan y se extruyen junto con el recipiente.
En otra variante se preforman los tochos por un proceso de prensado convencional y sinterización, y después se extruyen en caliente. Estos métodos alcanzan un alto grado de densificación en los productos de la metalurgia de polvos.
Forjado
El forjado es un proceso importante en el formado del metal, en el forjado de polvos la parte inicial es una pieza de metalurgia de polvos preformada mediante prensado y sinterizado al tamaño apropiado.
Las ventajas de este método son:
1. La densificación de la pieza
2. El costo de las herramientas es más bajo y se requieren pocos “golpes” durante la forja
3. Poco desperdicio de material
SINTERIZACIÒN
Definición
Es el proceso mediante el cual los compactados crudos o en verde, se calientan en un horno de atmósfera controlada a una temperatura por debajo del punto de fusión pero lo suficientemente elevada para permitir que se unan las partículas individuales.
El polvo metálico después del compactado en verde, resulta frágil, por el débil enlace entre las partículas, para remediar esto se realiza el proceso de sinterizaciòn, por medio de este proceso las partículas se sueldan, los granos se agrupan por la tensión superficial que fuerza a aumentar las áreas de contacto entre las partículas adyacentes y en consecuencia se aumenta la resistencia, la densidad, la ductilidad y conductividad térmica y eléctrica del compactado; sin embargo el compactado se contrae, por ello es necesario considerar las tolerancias para la contracción.
Los polvos elementales mezclados, se difusionan e interactúan durante el calentamiento. Cuando la temperatura mínima de liquidus es alcanzada (un eutéctico o el punto de fusión de uno de los componentes), la fusión parcial del compacto ocurre. El flujo líquido desemboca en poros entre las partículas sólidas resultando en densificación. También, el líquido es una ruta rápida de difusión entre los elementos, lo cual facilita la formación de compuestos. El producto final es una sola fase y densa AB. La figura15. Ilustra el proceso de sinterizaciòn para formar el compuesto AB de una mezcla de polvos A y B.
Fig. 15 Diagrama de fases binario y la secuencia típica de acontecimientos esperados en la sinterizaciòn de un compuesto AB para una mezcla de polvos A y B [1]
La formación de la fase líquida transitoria durante el proceso no garantiza un producto denso. El encogimiento de porosidad puede desarróllese durante la solidificación de la fase líquida. El control sobre la formación de la fase líquida, por lo tanto la reacción, las características del polvo y los parámetros del proceso son de gran importancia para producir piezas densas con microestructuras útiles por la sinterizaciòn. La temperatura sinterizaciòn, no debe exceder el punto de fusión del compuesto formado. No obstante, compuestos de aluminio, cerámicos y mezclas han sido fabricados por la sinterizaciòn.
Etapas de sinterizaciòn
La sinterizaciòn cuenta de seis etapas
Adhesión inicial de partículas Crecimiento del cuello Cierre del canal de poros Redondeo de poros Densificación o encogimiento de los
poros Poro en bruto
Efecto del tamaño de partícula en la sinterizaciòn
Si se hace una selección apropiada del tamaño de partícula de los polvos de los elementos que conforman el material, la superficie de contacto entre los polvos será maximizada, lo cual mitiga la formación del poro cuando el líquido transitorio reacciona y fluye en la fase sólida. La interconectividad de las fases particuladas es necesaria para la densificación de largo alcance por medio de la acción capilar.
En la figura 16 para el Ni3Al, puede notarse que si las partículas de aluminio existen en una configuración esporádica, se llenan las cavidades del Aluminio líquido al fundirse y la porosidad se formara en los sitios anteriores de aluminio.
. El redondeo de la porosidad resulta en incremento de la resistencia, especialmente resistencia al impacto del material obtenido
Fig. 16. Diagrama esquemático mostrando el efecto de tamaño de partícula en la sinterizaciòn reactiva [1]
Factores que generan porosidad: La porosidad es inducida durante la síntesis de combustión por alguno de los siguientes factores:
· Efectos Kirkendall y Frenkel: Sucede cuando la difusibilidad de los elementos está desbalanceada. El elemento A se difunde más rápidamente en el elemento B que el B en A; Como consecuencia, después de que la reacción se forma un poro en anteriores sitios del polvo de la partícula A.
· La evolución del gas: El calor generado por la iniciación de la reacción de síntesis de combustión volatiliza las impurezas residuales del polvo inicial. Lo que previene la densificación del producto; o los gases pueden quedar atrapados dentro del producto resultando en porosidad.
·El volumen molar cambia. Los productos de reacción tienen un volumen molar diferente que los reactantes. Típicamente, la fase del producto es más densa que la de los reactantes. El cambio volumétrico resultante es un resultado directo de la estructura atómica inherente y la unión del producto resultante. A menos que el cambio en las dimensiones del producto (El encogimiento debido a sinterizar) sea igual al cambio volumétrico intrínseco
·La porosidad inicial. La porosidad del compactado en verde (20 a 50 % en volumen es porosidad), debe ser eliminada durante la operación de sinterizaciòn por la densificación del producto.
La meta de la sinterizaciòn es formar compuestos intermetálicos densos ver tabla 1).
Tabla 1. Volumen intrínseco y cambios de densidad durante la formación de productos cerámicos e intermetálicos de polvos elementales [1]
ρ p / ρ r Es densidad teórica de producto /densidad teórica de reactantes
Factores que influyen en la sinterización
Mecanismos de sinterizaciòn: Dependen de la composición de los polvos y de los parámetros de procesamiento y son:
Viscosidad del flujo sinterizado de la fase líquida: Si dos partículas adyacentes son de diferentes metales, la aleación puede ocurrir en la interfaz entre las dos partículas. Si una de ellas tiene un punto de fusión inferior al de la otra; entonces se funde y debido a la tensión superficial rodea la partícula que no se ha fundido.
Mecanismos de difusión:
Difusión superficial: Se presenta cuando el compactado alcanza temperaturas del orden de 0.3 veces la temperatura de fusión, entonces los átomos superficiales tienen suficiente movilidad para desplazarse, dirigidos por la tensión
superficial desde la zona convexa hacia la zona cóncava de dos partículas de polvo que se están sinterizando. El resultado es un aumento de espesor del puente de enlace sin que ocurra acercamiento de los centros de las partículas.
La evaporación y condensación del metal se producen simultáneamente a temperaturas más elevadas que la de difusión superficial.
Difusión a través de la red: Ocurre cuando la temperatura de sinterizaciòn es la mitad de la temperatura de fusión de los polvos, es dada por las imperfecciones térmicas (vacancias y dislocaciones) existentes en los polvos metálicos o generadas en las etapas de mezcla, compactación y sinterizaciòn; las trayectorias de la difusión de vacantes van desde zonas de máxima concentración de defectos a las zonas donde hay menos concentración de estos. La difusión de vacantes aumenta el espesor del puente de enlace y redondea los poros, esto último se explica por el tránsito de vacantes que existe entre los vértices y los centros de los lados del triángulo curvilíneo representado en la figura 17.
La formación del compacto sinterizado a partir de los polvos metálicos se acompaña de una modificación de la estructura interna producida por fenómenos de difusión.
Fig 17. Desplazamiento de las vacantes en el proceso de sinterizaciòn
Transporte de la fase vapor: Al calentarse el material a un temperatura cercana a la de fusión, algunos átomos del metal se liberan de las partículas como fase vapor. En la interface entre dos partículas, la temperatura de fusión es localmente más alta y la fase vapor se solidifica de nuevo. Por lo tanto, la interfaz crece y se refuerza, y cada partícula se contrae como un todo. ( ver figura 18)
Figura 18. Fase Vapor
Recristalizaciòn y crecimiento de los granos: La unión de partículas se inicia en los puntos de contacto (ver figura 19 (1)); los puntos de contacto crecen para convertirse en cuellos (ver
figura 19 (2)); los poros entre las partículas reducen su tamaño (ver figura 19 (3)) y se desarrollan los límites de grano entre las partículas en las regiones donde habían cuellos (ver figura 19 (4) );
Figura 19. Formación de los límites de grano.
Las variables de sinterizaciòn La Temperatura de sinterizaciòn: Se encuentra en el intervalo de 70% a 90% del punto de fusión de la aleación, en la tabla 1 se muestra la temperatura y el tiempo de sinterizaciòn para algunos materiales:
MATERIAL TEMPERATURA ( ºC)
TIEMPO ( min)
Cu, Latón Bronce
760-900 10-45
Fe, Fe-grafito 1000-1150 8-45Ni 1000-1150 30-45Aceros inoxidables
1100-1150 30-45
Aleaciones de àlcanico ( para imanes permanentes)
1200-1300 120-160
Carburo de Tungsteno
1430-1500 20-30
Mo 2050 120W 2350 480Tantalio 240 480
Tabla 2. Temperaturas y tiempos de sinterizaciòn para algunos materiales. [1]
Al incrementar la temperatura de sinterizaciòn (claro está sin llegar a la de fusión del material) se puede mejorar la eficiencia en la producción
y lograr mejores propiedades de dureza y resistencia en los materiales obtenidos.
Desde el punto de vista cinético, la movilidad atómica en el estado sólido es función de la temperatura, es necesario que los átomos tengan cierta movilidad, para que las partículas en contacto se sintericen, lo cual se consigue aumentando la temperatura del sistema
El efecto de contenido de carbono en la temperatura. El contenido de carbono en materiales ferrosos tiene un efecto significativo en la temperatura de sinterizaciòn. Aumentando contenido de carbono se reduce la temperatura de sinterizaciòn porque baja la temperatura de sólidos.
El carbono puede controlarse de cerca mezclando grafito en el polvo antes de presionar. El carbono se disuelve rápidamente. Sin embargo, el mezclar más de 0.15 a 0.2 % de C puede ocasionar efectos perjudiciales, como la distribución poco uniforme de carbono, cambios en la microestructura y puede afectar la densidad del material.
El carbono insuficiente produce sinterizaciòn incompleta, y excesivo carbono produce sobre-sinterizaciòn.
Tiempo de sinterizaciòn. Las Temperaturas más altas reducen el tiempo para alcanzar sobre-sinterizaciòn y densidad completa. Estas relaciones se muestran esquemáticamente en la figura 20
Fig. 20 Relación entre la densidad sinterizado, el tiempo de sinterizaciòn, y la temperatura de sinterizando para el acero de corte rápido M2 [1]
La atmosfera de sinterizado.
Para obtener propiedades óptimas en las piezas sinterizadas; es necesario controlar la atmósfera del horno. La función principal de la atmósfera es proteger de oxidación o de nitruración, como podría ocurrir al calentarse en aire. Sin embargo, los aspectos críticos de una atmósfera de sinterizaciòn también incluyen el poder de reducir y carburizar. La atmosfera tiene un gran papel en la obtención de piezas con resistencia, dureza y dimensiones apropiadas.
Los óxidos de hierro son reducidos por hidrógeno, monóxido de carbono y carbono. La carburación se debe al monóxido de carbono y a hidrocarburos como metano.
El punto de rocío, es una medida de la sequedad del gas de la atmósfera. Mientras más bajo el punto de rocío, más bajo el vapor de agua contento de la atmósfera. Generalmente, el bajo punto de rocío de los gases aumenta el potencial de reducción de la atmósfera
Las atmósferas destinadas para la sinterizaciòn debe realizar Las siguientes funciones:
- Prevenir la entrada de aire al horno
- Reducir la superficie de óxidos en las partículas del polvo
- Controlar el carbono en la superficie y adentro del corazón del acero
- Remover el carbono en aplicaciones especiales
- Proveer control de la oxidación durante el enfriamiento en aplicaciones especiales
- Transportar o remover calor eficazmente y uniformemente
La sinterizaciòn nunca debe ser realizada en aire o en una atmosfera rica en oxigeno.
Las atmósferas deben ser mantenidas a una suficiente presión y tasa de flujo; para prevenir infiltración de aire a través de las aberturas del horno. Además para proteger el material, las atmósferas proveen suficiente convección y conducción para la transferencia uniforme de calor y así asegurar un calentamiento o enfriamiento dentro de las zonas diversas del horno
Los Tipos de Atmósferas
Las atmósferas convencionales usadas en sinterizaciòn son: Gas endotérmico, gas exotérmico, amoníaco desintegrado, hidrógeno, y vacío.
- El gas endotérmico: Es generado directamente de la combustión parcial de gas natural.
-El gas exotérmico: Es también un producto de combustión incompleta de gas natural
El amoníaco desintegrado y el hidrógeno: Son indirectamente derivativos del gas natural.
Las Atmósferas endotérmicas
También llamada: “el gas endo” es generada por mezcla rica relativamente reactiva de gas hidrocarburo (usualmente el gas natural, predominando metano), y el aire sobre un catalizador limpio como óxido de níquel en una cámara externamente caliente (fig.21). La reacción volumétrica entre gas natural y aire es la siguiente:
2CH4 + O2 + 3.8N2 → 2CO + 4H2 + 3.8N2
Fig. 21 Esquema de generador de gas endotérmico [1]
La proporción teórica de aire y gas natural es 2.4 a 1; Sin embargo, las proporciones electrógenas son generalmente entre 2.5 y 3 a 1. Esta reacción es endotérmica.
La temperatura de operación en el catalizador debe ser de 980 º C a 1000 ° C.
Las proporciones de aire-gas y las temperaturas en el generador deben controlarse para prevenir el hollín del catalizador. Insuficiente aire o la temperatura demasiado baja puede dar lugar a que el monóxido de carbono se descomponga por dióxido de carbono y carbono amorfo dando como resultado el hollín.
Los depósitos de hollín destruyen la eficiencia del catalizador y dan lugar a niveles altos de etano no reaccionado, dióxido de carbono y agua en la atmósfera de salida. Cuando una atmósfera enriquecida en metano es introducida al horno, el metano deposita hollín en el material.
Un catalizador cubierto de hollín también causa pérdida de control sobre la habilidad del generador para mantener un potencial definitivo de carbono en la atmósfera.
Después de pasar sobre el catalizador, la reacción se detiene por la refrigeración rápida de los gases por debajo 315 ° C, en una zona de enfriamiento rodeando el material; esto previene formar hollín y dióxido de carbono a partir de monóxido de carbono como lo muestra la siguiente reacción:
2CO ------ C+ CO2
Los cambios en el aire a gas natural .
Una concentración más alta de hidrógeno se encuentra en gas endo generado por el proceso. Este proceso generador de gas natural y agua son reactivos para producir monóxido de carbono e hidrogeno.
CH4 + H2O → CO + 3H2(Punto de rocio-12 °C),
El resultado es una proporción alta de hidrógeno en ausencia de nitrógeno
El gas endo típicamente es: 40 % nitrógeno, 40 % de, hidrógeno, y 20 % monóxido de carbono; con pequeñas cantidades de agua, dióxido de carbono y metano. Típicamente el 60 % de los componentes gaseosos son combustibles ( el monóxido de carbono, el hidrógeno, y el metano) ,los cuales son agentes de oxido reducción, El monóxido de carbono y el metano son carburizadores, El dióxido de carbono y agua descarburizan y oxidan, El contenido de dióxido de carbono y agua de gas endo generalmente quema los vapores lubricantes.
La habilidad de gas endo típico para transferir carbono depende de la temperatura del agua. La
figura 22 muestra el potencial de carbono para varias temperaturas para tres diferentes puntos de rocío.
Figura 22. Equilibrio de Carbono en gas endo para los diferentes puntos de rocío. [1]
Los materiales de acero de alto carbono son sinterizados en bajos puntos de rocío, y las materiales de bajo contenido de carbono son procesadas en altos puntos de rocío. Los generadores Endo tienen tendencia a generar hollín en los más altos puntos de rocío; la atmósfera del gas endo seguro obtiene un más bajo punto de rocío en el horno por sinterizaciòn de materiales de alto carbono.
Las Atmósferas exotérmicas
Exotérmico, o exo, estas atmósferas típicamente contienen 67 a 87 % de nitrógeno; el resto es monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono, y agua. Las atmósferas exotérmicas son producidas por la combustión parcial de combustibles de hidrocarburo (generalmente gas natural) con aire.
Al generar atmósferas de tipo exotérmico, la reacción genera calor, la cual se realiza en presencia de un catalizador de níquel
Las dos reacciones que ocurren son:
CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 + calor
2CH4 + O2 + calor → 4H2 + 2CO
Las atmósferas exotérmicas no son fuertemente reductoras para el hierro y son descarburantes en las temperaturas de sinterizaciòn. Su uso en sinterizaciòn de materiales ferrosos es limitado para aplicaciones que no requieren un contenido de carbono residual. La remoción del agua y el
dióxido de carbono pueden mejorar las propiedades de esta atmósfera protectora.
El gas Exo es altamente descarburante para aceros por encima de 700 ° C El gas Exo generalmente se usa para sinterizar bronce y algunas otras materiales de base en cobre. El cobre y la mayoría de aleaciones a base de cobre no requieren alto poder que reducción de óxido. El gas exo requiere mucho menos gas natural que gas endo; Consecuentemente, esta es una de las atmósferas más económicas.
Características de la atmosfera del horno:
Atmósfera sin oxigeno: Es fundamental para controlar el carburado y descarburado de los compactados de hierro y de base de hierro, evitar la oxidación de los polvos. Esto se logra por lo general utilizado un vacio para sinterizar aleaciones de metal refractario y aceros inoxidables.
Los gases más empleados para la sinterizaciòn son:
o Hidrógeno
o Amoniaco disociado o quemado
o Gases de hidrocarburos parcialmente
quemados o Nitrógeno
Hornos de sinterizaciòn
Los hornos destinados para la sinterizaciòn típicamente son similares a los hornos de la atmósfera protectora usados en soldadura y tratamiento térmico de acero, pero en sinterizaciòn las temperaturas utilizadas son considerablemente más altas que las de los tratamientos térmicos
El proceso de sinterizaciòn generalmente se realiza en un horno continuo como el que se muestra en la figura 23.
Figura 23. Horno continuo de sinterizaciòn [1]
Los hornos de sinterizaciòn tienen las siguientes áreas:
Área de Precalentamiento. Su función es remover los lubricantes del compactado de metal en verde. Por lo tanto el área de precalentamiento es también llamada el delubing o zona de quema. Las áreas de precalentamiento pueden funcionar eléctricamente o por gas.
El área de sinterizado: Su función sinterizar las partículas de polvo individuales; mientras el tiempo aumenta, aumenta la densidad debido al encogimiento del compactado.
El área de enfriamiento lento. La función es ayudar en el desarrollo de la microestructura o actuar como una zona de transición, para reducir las tensiones térmicas entre las secciones calientes y frías del horno. El área final de enfriamiento. La función es enfriar las materiales debajo de su punto de oxidación, bajo la atmósfera antes de que la las piezas salgan del horno.
Propiedades mecánicas de la pieza de acuerdo al proceso de sinterizaciòn
Relación con la resistencia.
La resistencia de la unión entre partículas, depende de los complejos mecanismos de difusión, flujo plástico, evaporación de materiales volátiles en compactado, recristalizaciòn, crecimiento de los granos y contracción de los poros.
La temperatura, el tiempo de sinterizaciòn y las condiciones de procesamiento; determinan, la estructura y porosidades en un compactado sinterizado y esto a su vez afecta las propiedades finales de la pieza obtenida.
La sinterizaciòn a presión atmosférica
Aunque el vacío sea el modo preferido de sinterizar, las partes de desgaste hechas de aceros de herramienta y los aceros de corte rápido pueden ser sinterizados para las densidades convencionales en la presión atmosférica y en atmósferas con puntos de rocío menores a - 40 ° C. Las partes sinterizadas a presión atmosférica, tienen el oxígeno y el nitrógeno más altos que las partes sinterizadas en vacío.
Sinterizado por chispa: Los polvos metálicos sueltos se colocan en un molde de grafito calentando por medio de corriente eléctrica, se someten a una descarga de alta energía y se compactan; todo en un solo paso
TRATAMIENTOS TÈRMICOS
En metalurgia de polvos se aplican los mismos tratamientos térmicos que en la metalurgia convencional: Temple, recocido, revenido, envejecimiento, etc; rigen los mismos principios que en los procesos convencionales aunque algunos aspectos son diferentes como por ejemplo en el caso de aceros al carbono, el diagrama de transformación Temperatura Tiempo está influido por la microestructura, el tamaño de la pieza y la severidad del medio , pero la microestructura de los aceros convencionales es distinta de la de los acero pulvimetalùrgicos y la curvas de transformación quedan afectadas por estos detalles.
Otras diferencias radican en que por la porosidad de las piezas sinterizadas se impide emplear baños de sales, ya que éstas se introducen en los poros y ocasionan corrosión.
OPERACIONES SECUNDARIAS
Numerosas operaciones secundarias se ejecutan para aumentar la densidad y la precisión, algunas de ellas son:
El prensado: es una operación de prensado en la cual se aprieta la parte en un dado cerrado para aumentar la densidad y mejorar sus propiedades físicas.
El dimensionamiento: es la compresión de una parte sinterizada para mejorar su precisión dimensional.
El acuñado: es una operación de prensado sobre una parte sinterizada para imprimir detalles en su superficie.
El maquinado: rara vez se realiza maquinado para dimensionar las partes, mas bien se utiliza para crear características geométricas que no se
pueden lograr por el prensado como: cuerdas internas o externas, perforaciones laterales y otros detalles.
Impregnación: este término se usa cuando se introduce aceite u otro fluido dentro de los poros de una parte sinterizada. El tratamiento se realiza mediante inmersión de las partes sinterizadas en un baño de aceite caliente.
Infiltración: es una operación en la cual se llenan los poros con metal fundido el punto de fusión del metal de relleno debe ser menor que el de la pieza. La estructura resultante es relativamente no porosa y la parte infiltrada tiene una densidad más uniforme, así como la tenacidad y la resistencia mejora.
Productos de la metalurgia de polvos.
Algunos de los componentes comúnmente manufacturados por la metalurgia de polvos son: engranes, rodamientos, catarinas, sujetadores, contactos eléctricos, herramientas de corte y varias partes de maquinaria.
La producción en gran cantidad de engranes y rodamientos se adapta particularmente bien a la metalurgia de polvos por dos razones: 1. tiene una geometría bien definida principalmente en dos dimensiones (La superficie superior tiene cierta forma y hay pocas o ninguna forma lateral) y 2. se necesita de porosidad para servir como deposito de lubricantes. Mediante la metalurgia de polvos también se pueden hacer partes mas complejas con geometría en tres dimensiones, añadiendo operaciones secundarias de maquinado después del sinterizado.
CONCLUSIONES
En la sinterización el compactado en verde, es calentado en un horno de atmósfera controlada a una temperatura por debajo del punto de fusión, pero lo suficientemente elevada para lograr que se unan las partículas individuales del compactado y mejorar sus propiedades.
La sinterización busca mejorar las propiedades mecánicas del material, disminuir los poros y aumentar su densidad.
La distribución del tamaño de partícula debe ser controlada para lograr una mayor superficie de contacto entre las partículas, facilitar la difusión y reducir la porosidad del material.
Los factores que influyen la sinterización son: Los mecanismos de sinterización, la viscosidad del flujo sinterizado de la fase líquida, los mecanismos de difusión, el transporte de vapor y la recristalización y el crecimiento de los granos
Las variables a tener en cuenta en el proceso de sinterización son: La temperatura, el tiempo y la atmósfera de sinterización.
Favorece al proceso de sinterización aumentar la temperatura cuanto sea posible sin que esta llegue al punto de fusión del compactado; de esta manera se mejora la eficiencia en la producción y las propiedades de dureza y resistencia en los materiales obtenidos
En materiales ferrosos al aumentar contenido de carbono se reduce la temperatura de sinterizaciòn porque baja la temperatura de sólidos.
Las Temperaturas más altas de sinterización reducen el tiempo para alcanzar sobre-sinterizaciòn y densidad completa
Las funciones de la atmósfera de sinterización son: Proteger el material de la oxidación, la nitruración, reducir, carburizar y prevenir la infiltración de aire en el horno
Los tipos de atmósferas utilizadas en el proceso de sinterización son: De gas endotérmico, de gas exotérmico, de amoniaco desintegrado, de hidrógeno y de vacio
En metalurgia de polvos se aplican los mismos tratamientos térmicos que en la metalurgia convencional, pero el diagrama de transformación Temperatura Tiempo es diferente ya que está influido por la microestructura, el tamaño de la pieza y la severidad del medio
La microestructura de los aceros convencionales es distinta de la de los aceros pulvimetalùrgicos.
En los materiales obtenidos por pulvimetalurgia no se puede emplear tratamientos térmicos que impliquen baños de sales, debido a que éstas se introducen en los poros y ocasionan corrosión.
Gracias a la metalurgia de polvos se pueden realizar piezas da aleación o combinación de metales, que antes eran prácticamente imposibles o muy difíciles.
La metalurgia de polvos requiere grandes cantidades de partes fabricadas y su automatización hace que sea muy fácil de lograr.
La evolución que ha tenido esta técnica, la hace comparable con otras, ha nivel de tolerancias rutinarias.
Se producen piezas casi netas, es decir no se necesita mecanizado para finalizarla, pero si se desea se lo puede hacer antes del sinterizado y se reducen esfuerzos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Metals Handbook, Vol 7, Powder metal technologies and applications
[2] S. Kalpakjian, S.R. Schmid, Manufactura, ingeniería y tecnología, Pearson, Prentice Hall. México 2008, Pag. 483-508.
[3] John A. Schey, Procesos de manufactura, Mc Graw Hill 2002, Pg 455- 481
