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TEMA 3. FABRICACIÓN DEL MATERIAL EN POLVO

ESQUEMA:

- Métodos Básicos-Técnicas de Fabricación Mecánica-Técnicas de Fabricación Electrolítica-Técnicas de Fabricación Química-Técnicas de Atomizado-Ejemplos de Fabricación de Polvos Metálicos -Cuestiones

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Métodos Básicos

El método de fabricación ayuda a entender sus caracteristicas y define su manipulación y posterior procesamiento

Hay cuatro grandes categorías:

-Troceado mecánico-Reacción química-Deposito electrolítico-Atomizado

Otros métodos son específicos del tipo de material empleado

La pulverización supone transmitir energía al material para formar nueva superficie específica. Parámetros importantes son: Eficiencia, contenido de energía, materia prima y contaminación

1 m3 de metal , para trocearlo en partículas de 1 micra2.1018 partículas con una superficie de 6.106 m2

ENERGIA

La selección del método depende del costo y de las caracteristicas requeridas

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Métodos Mecánicos de Fabricación

Hay cuatro tipos que normalmente se usan combinados:

-Impacto (golpeo brusco del material para fracturarlo)-Atricción (reducción de tamaño por frotamiento)-Cizalladura (rotura por procesos de cortadura, demasiado gruesos para P/M, excepto para productos frágiles, Ej: cintas de vidrio metálico)-Compresión (a velocidades más lentas que por impacto, fragilidad)

Para polvos de 1 mm, los molinosde martillos son eficientes

Sin embargo para materiales en el rango de 1 a 100 micras, los equipos más adecuados son los molinos de bolas, atritores o molinos planetarios.

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El mecanizado de metal en bruto produce polvos gruesos e irregularesLa viruta (muy abundante), puede refinarse mediante moliendaEste método no suele utilizarse sino es para aprovechar chatarra de otros

procesos. La viruta así obtenida (muy abundante), puede refinarse mediante molienda

Aplicaciones: High C steels y polvos para amalgamas (reconstr. Dental)Desventajas: mal control sobre las características, contaminación : oxidos, aceite

y otros metales


Mecanizado

Molienda

DEr2

=σ

Resistencia al impacto: E modulo elásticoR (radio del mayor defecto presente), D tamaño de partícula

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Métodos Mecánicos de Fabricación: Molienda

La eficiencia del proceso disminuye al hacerlo el tamaño de partículaLa energía involucrada en el proceso viene dada por:

Donde k es una cte. Que depende del material, las bolas, el diseño y la operación del molino. El exponente “a” tipicamente oscila entr 1 y 2.

El tiempo de molienda depende de: la cantidad de polvo, de la reducción de diametro, el tamaño de las bolas y las rpm del molino

( )aiaf DDkW −− −=

)(3.42230)(menRR

grpmNc ==π

R: radio del molino

EFECTO CASCADA

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Esquema del movimiento de lasbolas en el molino.(a) deslizamiento, (b) rodadura, (c) cascada y (d) v > v críticaLa fracción en volumen de bolas frente a polvo está entre 1 y 2

La máxima eficiencia de impacto ocurre a N = 0.75 Nc. El consumo de potencia (Q) viene dado por:

Donde: M = peso (de bolas + material)C = constante que depende de la relación de llenado (Volumen de bolas+ material/ volumen del recipiente de molienda)

RMCQ ..=

DIAMETRO BOLAS: 30 x DinicialLLENADO: 30-50% del volumenMATERIAL INICIO: 25% del volumen

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La molienda no es muy util para polvos metálicos (elevada tenacidad) (se pegan entre ellas, dando una eficiencia entre 1 y 3%

Por lo tanto se suele utilizar antes de las etapas de reducción cuando el material está oxidado.

Un método semejante consiste en hidrurar + moler + deshidrurar en vacío

Polvo de Niobio dúctil molido por laTécnica de hidruración

-La presencia de fluidos facilita la dispersión del polvo y por tanto su molienda. Además protege de la oxidación- Las pérdidas más importantes del proceso ocurren en forma de calor y ruido.-Los polvos metálicos producidos por molienda están endurecidos, son irregulares y tienen baja fluidez y densidad de llenado.

Además están contaminados con los materiales del molino y de las bolas

Se utiliza para: desaglomerar polvos reducidos, atomizados o electrolíticos y sobre todo en el procesamiento de CERAMICAS Y CERMETS

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Ej: Se muele viruta del fundición (alto C) desde 300 a 110 micras en 8 horas. El tiempo necesario para una reducción adicional hasta las 75 micras se podría estimar de este primer dato, suponiendo a = 2.

( )aiaf DDkW −− −=

Como la potencia es constante, se requiere un 33% más de energía que el necesario en el primer paso de molienda. De este modo se puede estimar que el tiempo necesario será de 10.6 h.

Otras técnicas: Alta velocidad de impacto (paletas de metal duro). Coldstream: aceleración con gas a alta presión 6 MPa. Impacto con un yunque a baja T (10 micras, redondeado pero irregular). Aplicacion: spray plasma powders+SSpowders para filtros. Self-impact attritioning: La molienda se produce por impacto frontal de dos chorros de polvo acelerados (reduce contaminación, pero no llega a tamaños tan finos (50 micras). Aplicación: Be

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Métodos Mecánicos de Fabricación: Aleación mecánica

Materiales reforzados por dispersión de oxidos (1960). Elevada resistencia al creep. Dificultad: obtener una dispersión fina y homogénea. Esto se consigue mediante la técnica de Aleación mecánica.

Los impactos generan la aleación homogéneaPudiendo incluso generarse reacciones químicas y nuevas fases. En este caso, el tamaño de partícula no disminuye de forma constante con el tiempo, ya que se producen fenómenos de soldadura fría por los impactos

ATRITOR

NdCt2

.=

d es el diametro de las bolas, N las rpm y C cte

A veces permite obtener polvos con granos nanométricos e incluso vitreos. CONTAMINACION. Materiales del molino id. a los molidos.Uso de líquidos (weld/attrition ratio). Hidrocarb-alcoholes-acido esteárico.(recuperación). Polvo endurecido por deformación TECH HOT PRESS

La técnica tiene baja eficiencia, pero producemateriales especiales.

7:1

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Técnicas de Fabricación Electrolítica

Precipitación en el cátodo de una célula electrolítica

Metales de elevada pureza: Pd, Cu, Fe, Zn, Mny Ag.

El proceso comienza con la disolución del ánodo con la aplicación de voltaje. El transporte a través del electrolito se usa para purificar el material depositado en el cátodo

El cátodo poroso se saca, limpia, seca, muele y recuece para eliminar el endurecimiento por deformación.

El polvo es dendrítico o esponja, aunque se puede modificar con las condiciones IV

La porosidad en el cátodo se favorece con altas densidades de corriente, bajaConcentración de iones, soluciones ácidas y la adición de coloides al baño.WARM BATH, ALTA VISCOSIDAD Y NO AGITACIÓN

Deposito poco compacto

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Deposito de Cobre electrolítico (a) esponja y (b) dendrítico.POCO DENSO

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Precipitación galvánica de iones desde una solución mediante la introducción de un metal más reactivo.

Ej: Pd se puede disolver en agua regia originando una solución de la sal metálica obtenida. Si se añade Zn, este elemento origina una reacción de desplazamiento haciendo que el Pd precipite como polvo esponja poroso.


Polvo Pd esponja

Es crítico el control de la contaminación

Dificultades: -Sólo puede aplicarse a polvos elementales-Los contaminantes pueden inhibir la formacióndel deposito en el cátodo-El material debe ser limpiado del electrolito, molido y recocido lo que hace que su precio sea elevado-Es un método poco ecológico

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Técnicas de Fabricación Quimica

Es la ruta habitual para polvos de metales y cerámicasEl tamaño de partícula se controla con los parámetros que afectan a la

cinética de la reacción química involucradaHay tres variantes según la reacción se dé en fase sólida, líquida o vapor

Descomposición de un sólido por un gasReducción de un óxido.

El proceso comienza con el material oxido purificado (p.e. magnetita). Estos materiales se muelen con facilidad.

La reducción se realiza mediante mezclas de gases como CO o H2 a temperaturas bajaspara asegurar tamaños finos de partícula y bajo nivel de cohesión entre las partículas (FLUIDEZ).

EL PRODUCTO FINAL ES ESPONJA POR EL GRAN CAMBIODE VOLUMEN DEL ÓXIDO AL METAL

SEM Polvo Mo

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Alternativamente, el empleo de elevada T puede producir partículas densas de formas poligonales.

El producto esponja es molido para eliminar los aglomerados y mejorar su fluidez

Los tratamientos de recocido facilitan la compactación, pero en el caso de los polvos esponja la compresibilidad no es óptima

Técnicas de Fabricación Quimica: Descomp. Solido-gas

TERMODINÁMICA + CINÉTICA

FeO (s) + H2(g) = Fe(s) + H20 (g)

Para que dicha reacción sea posible hacia la derecha debe producirse un∆G negativo. Si consideramos un sistema cerrado, la constante de la reacción que determina la concentración entre productos y reactivos viene dada por:

2

2

H

OH

PP

K =

Ya que la actividad de las fases sólidas es la unidad

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El balance entre red. y ox. depende de la composición del gas y de la temperatura

Para evitar que la reacción termine porque se alcanzan las condiciones de equilibrio termodinámico, la fase gaseosa se extrae de forma contínua de la cámara de reacción.Así, en el ejemplo que nos ocupa, la reducción de FeO mediante H2 se puedecompletar totalmente siempre que la humedad sea eliminada del reactor

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TERMODINÁMICA + CINÉTICA


Aunque una reacción sea viable termodinámicamente es muy importante controlar la velocidad a la que se da

- Cuando la reacción progresa, el gas debepenetrar más en la partícula para acceder al material oxidado.- Por tanto, la velocidad de reducción puede estar limitada por la velocidad de difusión del gas hacia dentro de las partículas, o por la de los productos hacia el exterior o por la velocidad de la reacción química en la intercara oxido-metal

DIFUSION: Fenómeno térmicamente activadoJ: velocidad de la reacción

−

⋅=RTQAJ exp

La temperatura y la velocidad de calentamiento son los parámetros másImportantes en la fabricación de polvos por reducción de óxidos

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Ej1: La figura muestra la velocidad de Reducción del NiO en presencia de hidrógeno99.98% pureza

Por debajo de 200ºC, aunque es termod. Viable la reacción no ocurre porque la cinética es infinitamente lenta.

Luego, se comprueba que la cinética es exponencial.

El cambio de fase que experimenta NiO a 330ºC frena el proceso de reducción

Ej2: En el caso del Fe, la reacción se realiza entre 700ºC y 1000ºC, seguida de molienda para controlar en tamaño de partícula. Si no se tienen procesos de refinado el contenido en contaminantes es alto.

Tambien se usa para Mo, W o Cu (T, , comp. Gas, grosor capa)Generalmente, estos polvos tienen mala fluidez y llenado (ρ aparente ↑↑)

T&

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Técnicas de Fabricación Quimica: Descomp. Térmica

Se pueden fabricar polvos mediante la combinación de vaporización y condensación-El ejemplo más claro es el basado en precursores carbonyl Fe(CO)5 Ni(CO)4-El Ni se hace reaccionar con CO para formar Niquel carbonyl. Para que la reacción se dé es necesario la aplicación simultánea de P y T. Este material se enfría (43ºC) y se purifica mediante destilación fraccionada. Al volver a calentarlo, en presencia de un catalizador se produce la vaporización y la formación del polvo metálico. Este material es bastante puro 99.5% con forma irregular, redondeado o formando cadenas.

Ni Carbonyl powder

Los parámetros de reacciónPermiten controlar el tamaño entre0.2 y 20 micras. Siendo los gruesos los más redondeados

En otros casos tambien es posible, Cu Pt Rd Au Co. No obstante las moleculas orgánicas en estos casos son muy tóxicas, por lo que la ruta carbonyl no es rentable para estos materiales

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Técnicas de Fabricación Quimica: Descomp. Térmica

Nucleación homogénea desde fase vapor

Se vaporiza el material bajo una presión muy baja de Ar (0.015 atm). Como la T cae bruscamente con la distancia a la fuente de vapor, dicho vapor aparece subenfriado.

De este modo el sólido nuclea en fase vapor, lo que produce partículas extremadamente finas (50 a 1000 nm). Forma facetada o cúbica.

Estos materiales son muy puros y muy finos. Ha sido aplicada con éxito a Cu, Ag, Fe, Au, Pt, Co y Zn.

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Técnicas de Fabricación Quimica: Precipitación desde fase líquida

Una sal metálica disuelta (nitrato, cloruro, sulfato) puede ser tratada para producir un precipitado metálico. Este es un método sencillo

2AgNO3 (aq) + 2 K2SO3 (aq) = 2 Ag+ + 2 NO3- + 4 H+ + 2 SO3

2-

2 Ag (s) + 2 K2SO4 (aq) + 2 KNO3 (aq) +SO2 (aq)

El precipitado de Ag obtenido se muele para formar el polvo

Alternativamente, inones metálicos reaccionan con el hidrógeno para formar precipitados: Ej: Co, Ni Cu de elevada pureza 99.8% y tamaños en torno a 1 µm.Tienden a aglomerarse por lo que suelen procesarse una segunda vez paraincrementar su tamaño.

- Thermal Spray Pyrolysis. Solución con iones metálicos se pulveriza en una atmosfera a elevada T. Se forman tamaños y formas diversos. Solución de nitrato de Ni en H2 a 800ºC produce partículas huecas de 3 micras.

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Técnicas de Fabricación Quimica: Precipitación desde fase líquida

El Ta y otros materiales refractarios (aplicados en condensadores y como refractarios) tambien se obtienen por este método. El precursor es una sal tipo haluro (p.e. K2TaF7). El tantalo se libera mediante la adición de sodio fundido, quedando un bloque que contiene cloruro sódico disuelto y el metal (que es posteriormente lavado, troceado y molido). Purificación con sonda de electrones, hidruración y molienda. Polvo con elevada area superficial que se usa en condensadores.

Materiales compuestos. Una fase se usa como nucleo para que precipite la otra. Nucleos: Toria, Titania, WC, recubiertos con Co, Ni o Fe. Se aplican en materiales reforzados por precipitación. (metal duro)

Metales reactivos (Ti o Zr). Sales fundidas basadas en cloruros. Se hacen reaccionar con Na o Mg y se forma un polvo tipo esponja. Un subproducto de la reacción es un cloruro que se elimina por destilación.

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Técnicas de Fabricación Quimica: Precipitación desde fase gaseosa

La reacción de dos sustancias gaseosa puede originar partículas nanométricasNo se producen por fusión y no están en contacto con los materiales del crisol

con lo que su contaminación es bajaEj: MoO3 (gas) con H2 para dar Mo metálico. Los cloruros, fluoruros y oxidos de

metales como V, W, Hf, Ti, Ag, Co Ni o Zr permiten este tipo de reacciones

1/3 Cu3Cl3 (g) + ½ H2 (g) = Cu(s) + HCl(g) (1000ºC)

Produciéndose Cu de 0.2 micras

Nucleación homogénea desde fase vapor se induce mediante diversos métodos de calentamiento brusco: laser, plasma, campos de inducción, etc. Se forman partículas muy finas de 10 a 1000 nm

La forma suele ser esponja o aglomerado policristalino

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Técnicas de Fabricación Quimica: Sintesis por reacción Solido-Solido

En sistemas altamente aleados, hay composiciones con mucha mayor estabilidad que sus consituyentes. Ej: materiales intermetálicos: FeAl, Ni3Al, Fe3Al, Ti5Si3.

Los intermetálicos son materiales que combinan propiedades metálicas con características cerámicas: conductores electricos refractarios, etc.

Ej: NiAl. Mp: 1649ºC, mientras que el Al: 660ºC y el Ni a 1453ºC. Ni (s) + Al (s) = NiAl (s) + CALOR

Si no se controla, la energía liberada puede llegar a fundir el NiAl

Esta reacción es capaz de autopropagarseuna vez iniciada (Solid State combustion). Parecido a la formación de agua a partir de oxigeno e hidrógeno.

Velocidad (10 mm/s). Si tenemos un buen intercambiador de calor, el material tiene apariencia porosa (require troceado y molienda posterior) Polvo TiAl

Particulas redondeadas,irregulares

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Técnicas de Atomizado

Estas técnicas se aplican a la mayoria de polvos metálicosPresentan elevada productividad (400 kg/min)El polvo se obtiene mediante la pulverización del material en estado líquido. Es

decir su fraccionamiento en gotas previamente a la solidificaciónSe utiliza tanto para polvos elementales como prealeados

Atomizado por gas Aire, N2, He o Ar como fluidos para romper el líquido en gotas.

El flujo de metal se desintegra por la rápida expansión del gas a la elevada temperatura del metal

Muy buenos resultados en superaleaciones (Ni based)

SISTEMA DE BAJA T

PARA METALES DE BAJO PUNTODE FUSIÓN, ABIERTO

El filtro deja pasar el gas

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Técnicas de Atomizado: Atomizado por Gas

SISTEMA DE ALTA T

CERRADOS, GAS INERTE PARA EVITAR OXIDACION

El caldo (metal líquido) se prepara por inducción y se vierte en una boquilla. La temperatura debe ser superior a la de liquidus.

Un diseño alternativo es colocar diversas boquillas de gas dipuestas de forma simetrica en torno al chorro de caldo

Necesario incorporar un sistema de extracción de gases ya que en el proceso se consume mucho gas y puede haber problemas por exceso de presión interna

Al contrario que en el caso de baja T, en este sistema es necesario colocar un ciclonseparador, para reciclar el gas y eliminar los finos. El tamaño es importante, suficiente para solidificar las más gruesas antes de tocar paredes

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La atomización por gas permite un buen control del contenido enoxígeno. Especialmente indicado en polvos muy aleados

Variables: tipo de gas, atmósfera residual, temperatura del caldo, viscosidad, tipo de aleación, flujo de metal líquido, presión de gas, caudal y velocidad de gas, geometría de la boquilla y temperatura del gas.

El producto es muy homogéneo, esférico con excelente densidad de llenado

Producción:100 kg/minPresión: 50-180 bares

Aplicable a: Al, Ni, Mg, Co, Pd, Cu , Fe, Au, SnZn, y Be

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Como regla general, cuanto mayor es la energía suministrada al caldo menor es el tamaño de partícula


Se produce una fuerte despresurización junto con una disrupción del chorro de metal que forma un cono.

Este cono es muy inestable dada su elevada tensión superficial y se rompe en gotas, siempre que esté suficientemente sobrecalentado

0.033 segundos

La forma final es la esfera.Mínimiza la energía superficial

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La reducción de tamaño depende de la viscosidad de la mezcla, de la temperatura y de la respuesta a la aceleración inducida por el gas

Un tiempo más largo de solidificación (inducido por la temperatura de colada) lleva a una mayor esferoidización.

Cualquiera de las forma descritas arriba puede ocurrir si la partícula solifica antes de haber alcanzado el mínimo de energía superficial.

Los fenómenos turbulentos pueden reconducir partículas finas a la zona de expansión donde pueden incluirse en nuevas gotas de líquido provocando aglomeración y satélites

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La eliminación de satélites es fundamental para mejorar las propiedades de fluidez y llenado de moldes (control del flujo de metal y de la geometría de expansión (boquilla))

Menor distancia entre la salida de gas y el chorro de metal favorece la transferencia de energía gas-liquido y lleva a la formación de partículas más finas

-La velocidad de salida del gasY la temperatura del caldo son fundamentales para el control del tamaño

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-La velocidad de salida del gas (P)Y la temperatura del caldo son fundamentales para el control del tamaño

Temperatura de fusión de Al = 660ºC

El diametro del ligamento depende del Espesor de la lámina W y de la velocidad Del gas V:

233VWd

mL ρ

πγ=

Donde ρm es la densidad del líquido y γ su energia superficial

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EJ: Inestabilidad de Rayleigh. Considerese un ligamento cilíndrico de metal fundido de diametro d y longitud L, donde L >> d. El volumen vale πLd2/4 y el area πdL (ignorando la forma de los extremos). Este cilindro se descompone en esferas durante el atomizado. Si el fenómeno más importante es la reducción de energía superficial, se pueden plantear las siguentes ecuaciones:

dLDN

yLdDN

ππ

ππ

=

=

2

23

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Donde D es el diametro de las esferas formadas y N su número

Si se mantiene el volumeny la superficie (realmente se reduce algo)

dLNd.D9451 ==

Por tanto se necesita producir ligamentos de diametro pequeño

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Existen relaciones que ligan el tamaño medio de particula a las condiciones de atomizado (número de Weber)

eg

m

g

m

m

Lge WM

MKdDdV

Wηη

γρ

+=⇒= 1

2

2

V: velocidad del gasρg:densidad del gasγm: energia superficial del liquidodL:diametro del ligamento

K: cte ajusted: diametro del chorro de liquidoMm: flujo de liquidoMg: flujo del gasη: viscosidades

La mayoría de los atomizados por gas se realizan a We< 1000

g

m

MM We D

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570220 .

m

m

.

m

m

VCD

=

ρη

ργ

Empiricamente se comprueba que:

C: cte. Geométria de la boquillaρm:densidad del sólidoγm: energia superficial del liquidoηm:densidad del líquido

Esta relación funciona para diversos metales: Fe, Sn, Pb, Acero y Cu.

No hay solución QUANTITATIVA del problema

La distribución de tamaños del polvo atomizado por gas es log normalEstos materiales presentan buena fluidez y llenado. No hay mucha

diferencia entre la tap density y la densidad aparente (60-65%)

TAMAÑO CÁMARA: TIEMPO DE VUELO. TOO SHORT(desastre)/ TOO LARGE $

100 MICRAS -10 METROS. Al principio alta V, pero se frenan rápidamenteAgua - N2 liquido como quenching fluids. (el tamaño baja a 1 m). Cuidado cantidad

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Técnicas de Atomizado: Atomizado por Agua

Es la técnica más usada para producir polvo elementales o prealeados con pto. Fusión < 1600ºC (Fe).

Chorros agua a presiónTemplado. Diferentes propiedades agua

vs. Gas. Forma irregular. OXIDACIÓN

MECANISMOSDE FORMACIÓNDE GOTAS

Da lugar a lasParticulas más finas

metalkgaguakg5

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El control de la forma requiere sobrecalentamientos muy por encima de la temperatura “liquidus” (problemas con refractarios y oxidación). A veces se usan aceites sintéticos para controlar forma y oxidación.

La segregación química en el interior de las partículas es muy pequeña dada la elevada velocidad de enfriamiento.

Polvo de SS. Ligamentos irregulares

La presión es la variable más importante del proceso

↓↑↑ DVP1.7 MPa 117 micras13.8 MPa 42 micras150 MPa 5 micras

Distancia boquilla-meltMenos importante que en gas

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El agua es mucho menos compresible que el gas y tiene mucha mayor densidad, por lo que no pierde eficiencia aunque se separe del chorro de caldo

ATOMIZADO POR AGUA VS. ATOMIZADO POR GAS

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Fe atomizado por agua.Posteriormente reducido en H2AGLOMERADO

SI EL ÓXIDO ES UN PROBLEMA SE SUELE DAR UN TRATAMIENTODE REDUCCIÓN EN HIDRÓGENO + MOLIENDA (ROMPER AGLOMERADOS)

PRODUCCIÓN: 400 kg/min. VELOCIDADES: 230 m/s

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El caldo puede tener la composición final o ser un precursorEj: Un acero con 3.5%C puede ser atomizado por agua, oxidado, molido,

decarburado y recocido para formar un hierro esponja que luego es machacado para obtener polvo de Fe

Otros materiales fabricados por atomizado en agua: SS, Cu, Laton, Bronce, acero de herramienta, aleaciones de Co y Ni, metales preciosos, Pb, Sn, Zn, etc

Los modelos muestran tendencias similares al atomizado por gas: P elevada o V del agua elevada producen una disminución del tamaño de partícula D

αβVsenPlnD =

β constante diseño y material, P presión atomizado, V velocidad agua y α es el ángulo entre los dos flujos: metal y agua

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Técnicas de Atomizado: Atomización por centrifugado

Polvos reactivo + control tamañosProceso de electrodo rotativo:Zr, Ti,

Ni superalloys (materiales muy aleados o reactivos)

El extremo del electrodo se funde mediante arco con un plasma o un cátodo de W. El ánodo del material a pulverizar gira a 50.000 rpm (en gas inerte o vacío)

Polvo acero

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El ánodo gira mediante un motor que permite la introducción continua del electrodo a la vez que se va fundiendo.

El contacto electrico se realiza mediante escobillas fuera de la cámara.

El líquido forma una capa en torno al eje de giro. En esta capa se genera fluctuaciones producidas por cizalla (baja resistencia a cizalla del líquido –es función de la viscosidad). Las partículas se redondean para minimizar la energía superficial.

Rpm bajas y velocidades de fusión bajas: las particulas se forman en el borde del ánodo. Altas velocidades de fusión el líquido forma ligamentos que luego se transforman en gotas

RAD

mργ

ω=

A: cte, ω es la velocidad angular, γ la tensión superficial, ρm la densidad del caldo y R el radio del electrodo

Fc = tension superficial

DEDDR s

∂∂

== γππρω 26

32

41


Si el sobrecalentamiento es insuficiente se formarán ligamentos en lugar de esferas.

Típicamente son esféricos con tamaños de 250 micras

Una relación empírica real viene dada por:

430

640

120 .

m.

.m

dMD

=

ργ

ω

Mm: flujo de caldo (10-7 m3/s), d diametro del ánodo (2-5 cm), ω es la velocidad angular(1000-50000 rpm), γ la tensión superficial, ρm la densidad del caldo.HACE FALTA UN EQUILIBRADO EXCELENTE

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Ventajas: limpieza (baja contaminación), forma esférica (alta densidad aparente y fluidez), tamaño de partícula uniforme (poca dispersión), no contamina con los materiales del crisol

Inconvenientes: bajos volumenes de producción, costo elevado y tamaño grueso de las partículas. Con el cátodo de W hay contaminación. En lugar de eso se utiliza la técnica del plasma.

Otros métodos de atomización por centrifugado

Rpm 400- 20000d: 2-20 cmHe 170 m/s enfriar rápido:

materiales amorfosQuenchingMelt spinning

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Ej: El area superficial depende del método de fabricación. El polvo de Fe comercial fabricado por reducción de óxidos tiene un área superficial de 0.15 m2/g, el atomizado por agua tiene un área de 0.05 m2/g y el electrolítico de 0.04 m2/g.

Por otro lado, el Fe carbonyl tiene un área superficial de 0.34 m2/g.

En algunas aplicaciones es muy importante tener polvos muy finos como el caso de los condensadores de Ta. El caso extremo es el de los catalizadores donde se pueden conseguir areas superficiales de 300 m2/g.

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Otras Técnicas de Atomizado

Erosión por chispa. Sumergido en aceite. Se forman partículas al saltar la chispa de un cable a la pieza del material que queremos pulverizar

Atomizadores rotativos. Melt spinning. Altas velocidades de enfriamiento. Produce polvos en forma de escama. Rotating slit cruzible: para polvos gruesos de materiales con bajo pto. De fusión.

Explosión del caldo (Melt Explosion)

Utiliza un caldo saturado en H2. Mediante aplicación de presión 1 a 3 MPa de H2. Despues se elimina en vacío de forma brusca lo que provoca una explosión.

Se utilizan en superaleaciones, TiH2.Un problema es la lenta velocidad de enfriamiento que se produce en la cámara de vacío. El enfriamiento se produce por radiación más que por convección (gas atomization)

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Otras Técnicas de Atomizado: Atomizado por plasma

Atomizado por plasma. Se genera un plasma por arco y se hace impactar con polvo o hilo del material a pulverizar. El material se funde y se acelera saliendo por una boquilla. Se utiliza para prealear.

http://www.plasma-master.com.ua/eng/science/science_new-plasmatorches.htm

El polvo presenta elevado sobrecalentamiento. Si el tiempo de vuelo es grande se producen formas esféricas. (Optimo feedstock 30-80 micras)

HfC-W compositehttp://www.multiplaz.com/spanish/ins2.php

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Limitaciones de las Tecnicas de Atomizado

V impacto < V sonido. Esto limita la velocidad de extracción del calor, el tamaño de partícula y la eficiencia del proceso (EN GENERAL BAJA)

La relación entre la velocidad de gas y el tamaño de partícula sigue una ley exponencial (ver figura). También ocurre algo parecido con el agua.

PLOMO

ACEROPara seguir disminuyendo D harían faltaWe ~ 1000- 10000 (tecnología cohetes espaciales)

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Limitaciones de las Tecnicas de Atomizado

Una alternativa es el uso de atomización en 2 etapas:-En primer lugar se generan gotas mediante gas, plasma o centrifugado-Posteriomente, y antes de que solidifiquen se vuelven a golpear con otro sistema de atomizado

Control de la composición química. Solidificación lenta produce segregación (dendritos). El tiempo óptimo de esferoidización es de 10-5 s. En el caso de atomización por agua esto se minimiza, pero aumenta el contenido en oxígeno de los polvos y se pierde la forma redondeada. (Los metales preciosos adquieren unos 50 ppm de oxigeno, pero los más reactivos Cr, Ti, Al llegan a 2000 ppm. Esto se minimiza con el uso de atmósferas inertes (100 ppm). DEPENDE DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA (O2↑ D↓)

En la actualidad se combinan gas y water atomization para aprovechar las ventajas de ambas: esferoidizacion (gas) + quenching (water), de forma que el contenido de oxigeno sea el mínimo posible.

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Ejemplos de Fabricación de Polvos Metálicos

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Polvos atomizados tiendes a ser gruesos por la dificultad de romper el gotas el caldo

Polvos sintetizados químicamente son finos

Fe water atom. Fe, Cu, Sn, SS se utilizan el die compaction (esfericosno son los más adecuados)

Materiales para aplicaciones aeroespaciales (Superalloys, Al, Ti, Aceros de alta resistencia). Por cuestiones de pureza: centrifugado o atom. Por gas)

Sinterizado de elevada densidad, Moldeo por inyección: polvos con elevada S (carbonyl o gas atom.)

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Aunque el precio oscila en función de las necesidades del mercado,Las diferencias relativas permanecen constantes a lo largo del tiempoCHINA : W, Ta y chatarra Fe

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Cuestiones. Tema 31- ¿Cómo podría conseguirse la forma esférica en el proceso de atomizado por agua?2- El polvo de bronce se obtiene en forma de escama por molienda en molino de bolas.

- ¿Cómo podría medirse el tamaño de partícula para las escamas?- ¿Qué parámetros de molienda favorecerían la formación de escamas?- ¿Cuál será la tendencia del grosor de la escama y la relación de aspecto con el tiempo de molienda?

3- Se atomiza en gas una aleacion a una temperatura ligeramente por encima del líquidus. Para una partícula de 100 micras el tiempo de solidificación es de 0.04 s. Estimar el tiempo de solidificación para una partícula de 10 micras en idénticas condiciones.

4- En la atomización por gas, el tamaño de partícula aumenta con la viscosidad de caldo. ¿Por qué ocurre esto y cómo afecta a la forma de la partícula? ¿Por qué un liquido altamente sobrecalentado lleva a la formación de partículas esféricas?

5- Se usa un atomizador de gas horizontal para producir polvo de estaño. Sin embargo el polvo es demasiado fino para su uso posterior. Sugerir tres cambios en los parámetros de proceso que llevarían a un polvo más grueso.

6- Se analizan tres lotes de polvo de Cu (atomizado agua, atomizado gas y reducción H2) obteniendose los siguientes resultados: (densidad teórica: 8.9 g/cc):

PROP. A B CTamaño FSSS (µm) 48 25 40Densidad aparente (g/cc) 2.8 1.7 4.4Tap density(g/cc) 3.3 2.4 4.7Hall flow rate (50g) 32 50 21BET (m2/g) 0.014 0.063 0.017

Identificar que lote corresponde con cada técnica de fabricación y explicar por qué7- 100 g de FeO se hacen reaccionar con 100 l de H2 (STP) (1 atm) a 400ºC durante un tiempo largo.

¿Qué % del oxido se transformará en Fe puro (sistema cerrado)?8- Los atomizadores por spray en vacío se diseñan con la tobera apuntando hacia arriba, mientras que los

que lo hacen en atmósfera protectora apuntan en horizontal o hacia abajo. ¿Dónde está el beneficio de este cambio de diseño?

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Cuestiones. Tema 3

9- Los polvos obtenidos por atomizado centrífugo frecuentemente presentan una distribución bimodal de tamaños. ¿Por qué?

10- ¿Qué dificultades habría para obtener una aleación a partir de polvos de Cu y Zn mediante la técnica electrolítica?

11- En un sistema de atomizado por disco giratorio se generan ligamentos líquidos con una relación de longitud a diámetro de 5.3 y una longitud de 40 micras. (a) ¿De qué tamaño serán las esferas que se formen cuando el ligamento se descomponga suponiendo que la energía de la intercara es constante?(b) ¿Cuantas esferas se generan de cada ligamento?

12- ¿Por qué no se fabrica polvo de aluminio mediante la reducción de alumina por hidrógeno?13- El trabajo necesario para moler un material frágil es proporcional al inverso de la raiz cuadrada del

tamaño de partícula. ¿Qué proporción habría entre las energías necesaria para obtener particulas de 10 y 1 micra?

14- ¿Qué hipótesis se te ocurren para que en un atomizado por agua la obtención de tamaños de partícula más finos lleva también a la reducción de la dispersión de tamaños?

15- Una partícula de 1 mm necesita 4 s para solidificar en un atomizador de baja presión de gas y en ese tiempo viaja 10 m. Qué distancia recorrerá una partícula de 100 micras bajo las mismas condiciones de atomizado?

16- Diseña un atomizador de 2 etapas para la producción de polvo de 10 micras.17- Un polvo cerámico se muele más fácil que uno metálico. Que parámetro crítico no ha sido incluido en

la ecuación σ = (2Er/D)1/2?18-¿Qué propiedad de W hace que la atomización por plasma sea una de las pocas alternativas viables

para fabricar aleaciones de este material?

19- Es válida la expresión Utilizar los datos de la trasnparencia 41R

ADmργ

ω=

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20- Es dimensionalmente correcta la formula de la trasnparencia 32

21- Se muele una aleación de W-Cu en un molino atritor durante 4 horas a 120 rpm. Que velocidad angular haría falta para reducir el tiempo de molienda a 1 hora?

22- En la atomización por gas, ¿Qué parámetro tiene mayor influencia sobre el tamaño de partícula? ¿Por qué?

Cuestiones. Tema 3

ESQUEMA: - Métodos Básicos -Técnicas de Fabricación ... · ¾El método de fabricación ayuda a...

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