Metalurgia de Polvos

Es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen partes a partir de polvos metálicos

• En una manera simplificada podemos decir que el proceso consiste de comprimir los polvos para darles la forma deseada y luego se calientan (sinterizado) para ocasionar la unión de las partículas en una masa dura y rígida.

• La compresión, llamada prensado, se realiza en una maquina tipo prensa cuya herramientas se diseñan específicamente para la parte a producir. Las herramientas, que consisten generalmente en un dado y uno o más punzones, pueden ser costosas y es por esto que la MP es más adecuada para niveles medios o altos de producción.

• El tratamiento térmico, llamado sinterizado se realiza a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal.

Las consideraciones que hacen de la metalurgia de polvos un proceso importante son:

Las partes de PM se pueden producir masivamente en forma neta o casi neta, eliminando o reduciendo la necesidad de procesos posteriores (como maquinados).

Los procesos de la PM implican muy poco desperdicio de material, cerca del 97% de los polvos iniciales se convierten en producto. Esto se compara favorablemente con los procesos de fundición en los cuales las coladas, alimentadores y mazarotas son material de desperdicio en cada ciclo de producción.

• Debido a la naturaleza del material inicial en la PM, se pueden hacer partes con un nivel especifico de porosidad. Esta característica se presta a la producción de partes de metal poroso, como rodamientos y engranes impregnables con aceite (lubricados), así como filtros.

• Ciertos metales que son difíciles de fabricar por otros métodos, se pueden formar por metalurgia de polvos. El tungsteno es un ejemplo: los filamentos de tungsteno que se usan en las lámparas incandescentes se manufacturan con tecnología de PM, debido a que tiene un alto punto de fusión para fabricarse por fundición.

Ciertas combinaciones de aleaciones metálicas y cermets que no se pueden producir por otros métodos se pueden hacer por PM.

La PM se compara favorablemente con la mayoría de los procesos de fundición en lo que se refiere al control dimensional de los productos. Las tolerancias rutinarias que se pueden lograr son de ±0.005 pulg (± 0.13mm).

Los métodos de producción de PM se pueden automatizar para hacer mas económica la operación.

Limitaciones y Desventajas1) Alto costo del equipo y de las herramientas2) Alto costo de los polvos metálicos3)Dificultades en el almacenamiento y manejo de polvos metálicos

(tales como degradación del metal a través del tiempo)4)Limitaciones en la forma de las partes (no se pueden hacer pieza

con una geometría complicada por que no es posible expulsarlas), debido a que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección lateral dentro del dado durante el prensado, y las tolerancias deben permitir que la parte pueda expulsarse del dado después del prensado

5) Las variaciones en la densidad del material a través de la parte pueden ser un problema, especialmente para partes de geometría compleja.

• La mayoría de las piezas hechas por metalurgia de polvos son de 2.2 kg. Ejemplos de piezas que se pueden producir.

Materiales metálicos que se utilizan en la PM

• Las aleaciones de hierro, acero y aluminio constituyen el mayor tonelaje de metales que se usan en la PM. Otros metales incluyen cobre, níquel y metales refractarios como el molibdeno y el tungsteno. Los carburos metálicos como el carburo de tungsteno se incluyen frecuentemente dentro del campo de la metalurgia de polvos; sin embargo estos materiales son cerámicos.

• El panorama de la tecnología moderna incluye no solamente la producción de partes, sino también la preparación de los polvos iniciales. El éxito en la metalurgia de polvos depende en gran parte de las características de los polvos iniciales.

Caracterización de los Polvos Metálicos

Un polvo se puede definir como un solido dividido en partículas finas.

• CARACTERISTICAS GEOMETRICAS.• La geometría de los polvos individuales se

puede definir mediante los siguientes atributos:1) tamaño de las partículas y su distribución2) forma y estructura interna de las partículas 3) área superficial

Tamaño de las partículas

• Se dispone de varios métodos para obtener datos sobre el tamaño de las partículas. El método mas común usa cribas de diferentes tamaños de malla. Se usa el termino numero de malla para referirse al numero de aberturas por pulgada lineal de la criba. Un numero de malla 200 significa que hay 200 aberturas por pulgada lineal.

• Como la malla es cuadrada, la cuenta es la misma en ambas direcciones, y el numero total de aberturas por pulg2 es 2002 = 40,000. En consecuencia, un numero alto de malla indica menor tamaño de partícula.

• 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 numero de malla y esta se hace vibrar (en un tamizador) para que las partículas pequeñas que caben en las aberturas caigan a la siguiente criba. La segunda criba se vacía en la tercera y así sucesivamente, de manera que las partículas se seleccionen de acuerdo a su tamaño. Si pasan por malla 200, decimos que el tamaño de partícula es 200.

Equipo para separar tamaños de partículas

Fig. II.13. Tamizador. Fig. II.14. Tamiz.

• Suponiendo que la dimensión limitante de la partícula es igual a la abertura de la criba, tenemos:

Sobre le rango de los tamaños comunes de malla en la MP, una aproximación cercana de la relación precedente es:

• PS = tamaño de partícula, pulg; MC = numero de malla, aberturas por pulg lineal; y tw = grueso del alambre de la malla, pulg.

• El método de cribado tiene un limite practico superior de MC = 400 (aproximadamente) debido a la dificultad de hacer mallas tan finas y a la aglomeración de los polvos tan finos. Otros métodos para medir el tamaño de las partículas son por microscopia y técnicas de rayos x.

Fig. II.10. Malla 120. Fig. II.11. Malla 325. Fig. II.12. Fondo.

Molino de martillos

Forma de las partículas y estructura interna

• La forma de los polvos metálicos puede catalogarse en varios tipos, algunos se ilustran en la figura.

• Una forma simple y útil de medir la forma es la relación del aspecto, entre la dimensión máxima y mínima de una partícula dada. La relación del aspecto para una partícula esférica es 1.0, pero para un grano acicular puede ser 2 o 4.

• Se requieren técnicas microscópicas para determinar las características de la forma, como las que se muestran a continuación.

Análisis Granulométrico.• Ejemplo de tres rangos de granulometrías. En la figura se

muestra el aspecto de las aleaciones en polvo de Ni3Al y NiAl para las tres diferentes granulometrías evaluadas.

Ni3Al (fracción gruesa, 56-83 m) Ni3Al (fracción media 41-56 m) Ni3Al (fracción fina <38 m)

NiAl (fracción gruesa 56-83 m) NiAl (fracción media 41-56 m) NiAl (fracción fina <38 m)

• Se puede observar de la figura que las partículas muestran características propias de polvos metálicos obtenidos por procesos de trituración, como bordes afilados y geometría irregular.

• Cualquier volumen de polvos sueltos contiene poros entre las partículas. Estos se llaman poros abiertos, porque son externos a las partículas individuales. Los poros abiertos son espacios dentro de los cuales puede penetrar un fluido como agua, aceite o un metal fundido. Además hay poros cerrados, que son vacios internos en la estructura de una partícula individual. Tal como se observo en la figura anterior para una partícula esponjosa.

Fricción interparticular y características de flujo

• La fricción entre las partículas afecta la disposición del polvo a fluir fácilmente y a compactarse firmemente.

• Una manera común de poder medir la fricción interparticular es a través del ángulo de reposo, el cual es el ángulo formado por un montón de polvo cuando este se vacía a través de un embudo angosto, tal como se muestra en la figura 18.4

• Los ángulos mas grandes indican mayor fricción entre partículas. Los tamaños de partícula mas pequeños generalmente muestran mayor fricción y un aumento en el ángulo de reposo. Las formas esféricas producen la menor fricción interparticular, porque al desviarse de la forma esférica, se incrementa la fricción entre las partículas.

• Por otro lado, otra manera de calcular la friccion interparticular es midiendo del flujo (flujo de las partículas), una medida común del flujo es el tiempo requerido para que una cierta cantidad de polvo (en peso) fluya a través de un embudo de tamaño estándar. Los tiempos menores de flujo indican mayor facilidad de flujo y menor fricción interparticular.

• En el prensado (compactado), la resistencia a fluir incrementa las variaciones de densidad en la parte compactada; estos gradientes de densidad son generalmente indeseables.

• Por ejemplo, se puede formar una mayor densidad cerca del embolo de la prensa.

Compactado, densidad y porosidad

• Las características de compactado dependen de dos medidas de densidad. Primero, la 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 solida. Segundo, la densidad volumétrica es la densidad de los polvos en el estado suelto después de vaciado: este incluye el efecto de los poros entre la partículas.

• Debido a los poros, la densidad volumétrica es menor que la densidad real.

• El factor de empaquetamiento es la densidad volumétrica dividida entre la densidad real. Los valores típicos de factor de empaquetamiento para los polvos sueltos fluctúan entre 0.5 y 0.7. El factor de empaquetamiento depende de la forma de la partícula y de la distribución de los tamaños de la partícula. Si están presentes polvos de varios tamaños, los polvos mas finos se ajustaran entre los intersticios de los grandes, que de otra manera podrían ser tomados por el aire, resultando así un factor de empaquetamiento mas alto.

Porosidad + factor de empaquetamiento = 1.0

• Debemos observar que la presión extrema que se aplica durante la compactación, incrementa en gran medida el empaquetamiento de los polvos a través del rearreglo y deformación de las partículas.

PRODUCCION DE POLVOS METALICOS• Prácticamente cualquier metal puede reducirse a la forma

de polvo. Hay tres métodos principales para producir comercialmente polvos metálicos, cada uno de los cuales implica consumo de energía para incrementar el área superficial del metal. Los métodos son:

1) atomización2)químicos 3) electrolíticos• Ocasionalmente se usan métodos mecánicos (molinos de

bolas, martillos, mordazas. etc) para reducir el tamaño de los polvos; sin embargo, estos métodos se asocian mas comúnmente con la producción de polvos cerámicos

Atomización• La atomización implica la conversión de un metal

fundido en una nube de pequeñas gotas que se solidifican formando polvos. Es el método mas versátil y popular para producir polvos metálicos en la actualidad, y aplicable a casi todos los metales, aleaciones o metales puros.

• Dos métodos se basan en la atomización con gas, en los cuales se utiliza una corriente de gas a alta velocidad (aire o gas inerte) para atomizar el metal liquido. En la parte (a) de la figura el gas fluye a través de una boquilla de expansión, succionando el metal liquido de la fusión que se encuentra debajo y rociándolo en un recipiente. Las gotitas se solidifican en forma de polvo.

• (b), el metal fundido fluye a través de una boquilla y se atomiza inmediatamente por chorros de aire (gas). Los polvos metálicos resultantes se recolectan en una cámara situada debajo.

• El método que se ilustra en la parte (c) es similar al (b), excepto que se utiliza una corriente de agua a alta velocidad en lugar de aire. Este se conoce como atomizado por agua y es el mas común de los métodos de atomizado, particularmente apropiado para metales que funden después de 2900 °F (1600 °C). El enfriamiento es mas rápido y la forma del polvo resultante es mas irregular que esférica.

• La desventaja de usar agua es la oxidación en la superficie de las partículas. Una reciente innovación usa aceite sintético en lugar de agua para reducir la oxidación. En ambos procesos de atomizado con aire o agua, el tamaño de las partículas se controla en gran parte por la velocidad de la corriente de fluido; el tamaño de partícula esta en relación inversa con la velocidad.

• Varios métodos se basan en el atomizado centrifugo. Una versión es el método de disco rotatorio, mostrado en la parte (d) de la figura, donde se vacía una corriente de metal liquido en un disco que gira rápidamente y que rocía el metal en todas direcciones pulverizándolo.

• La reducción química comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales. Un proceso común consiste en la liberación de los metales de sus óxidos mediante el uso de agentes reductores como hidrogeno o monóxido de carbono. El agente reductor se produce para combinarlo con el oxigeno del compuesto y libera el elemento metálico. Por este método se producen polvos de hierro, de tungsteno y de cobre.

• En la electrolisis se prepara una celda electrolítica en la cual la fuente del metal a pulverizar es el ánodo. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado, se mueve a través del electrolito y se deposita en el cátodo. El deposito se retira, se lava y se seca, obteniéndose un polvo metálico de alta pureza. Esta técnica se usa para obtener polvos de berilio, cobre, hierro, plata, tantalio y titanio.

Mezclado y combinación de polvos

• Combinación se refiere al intermezclado de polvos de la misma composición química, pero posiblemente con diferente tamaño de partícula. Esto con el fin de reducir la porosidad del producto.

• Mezclado se refiere a la mezcla de polvo de distintas composiciones químicas (ejemplo. Fe-Al) o FeAl+NiAl.

Mezclado y Combinación de Polvos

Compactación

• En la compactación los polvos secos, los cuales se pueden recubrir con un lubricante o aglutinante seco, se compactan mediante la aplicación de 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. Los pasos en el ciclo de prensado se muestran en la figura 16.9. A la parte después de prensada se le llama compacto verde, el termino verde significa que la parte no esta completamente procesada (sin adhesión permanente) o compactado fresco.

• La densidad también es una función de la forma de la partícula: un polvo esférico se compacta con una densidad mayor que un polvo de forma irregular. En el curso del prensado, se expulsa el aire que hay entre las partículas, y éstas se deslizan una contra otra y contra la superficie de la herramienta de compactación.

• Las presiones elevadas locales causan deformación local o fractura, y el compacto adquiere una resistencia en crudo, la resistencia se eleva al aumentar la presión.

• Otra fuente de la resistencia en crudo es el entrelazado mecánico, especialmente con partículas de forma irregular, por lo que la resistencia en crudo es menor para los polvos esféricos, aunque se empacan más densamente. Si ninguno de estos mecanismos está disponible, se agregan agentes aglutinantes que se evaporan en el curso del sinterizado. Por supuesto, la resistencia en crudo es menor cuando el polvo está recubierto con un lubricante.

• La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un reempacado de los polvos en un arreglo mas eficiente, elimina los puentes que se forman durante el llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el numero 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.

Moldeo por inyección

• Cuando la proporción del aglutinante o de otro líquido es suficientemente alta para permitir el desplazamiento relativo de partículas individuales dentro de una matriz líquida, la mezcla adquiere propiedades reológicas adecuadas para el procesamiento mediante técnicas de formado plástico.

• El moldeo por inyección de polvo fino « 20llm) es posible para piezas de pared muy delgada (de 0.5 a 5 mm). El polvo se combina con cera o con un polímero termoplástico, desde 25% hasta 40%, y se inyecta a una temperatura desde 1 35 hasta 200°C, a presiones desde 1 00 hasta 1 40 MPa, en moldes en máquinas estándar de moldeo por inyección. El enfriamiento en el molde fija la forma. La contracción o sinterizado es grande, pero formas complejas, incluso agujeros transversales, se pueden producir en todos los materiales, abarcando aleaciones de metal refractario. El polímero debe eliminarse por calentamiento (desaglutinación) en una atmósfera protectora; esto puede tomar mucho tiempo y el suavizado causa alguna pérdida de la forma. La contracción es amplia, hasta de 20% linealmente. Una mejor retención de la forma se asegura con un aglutinante de acetal, el cual se puede descomponer químicamente a baja temperatura.

SinterizadoEl sinterizado establece los enlaces metalúrgicos.

A temperaturas mayores (superiores a O.5Tm pero, por lo general, en el rango del trabajo en caliente, alrededor de 0.7 a las O.9Tm), ocurre el sinterizado. El compacto contiene partículas del material muy cercanas entre sí. La energía del sistema disminuirá, reduciendo el área superficial total; en otras palabras, la fuerza de accionamiento para el sinterizado es la energía superficial que se reduce al unir partículas adyacentes (Fig. 11-9).

• Para comenzar, los enlaces interatómicos se establecen entre superficies adyacentes, los cuellos crecen por el movimiento de átomos de la superficie y de la masa de las partículas hacia ellos. El flujo plástico o viscoso también puede ocurrir y esto, junto con una mayor difusión masiva, reduce el tamaño de los poros (Fig. 11-9b). De esta manera, el volumen se contrae y la densidad se incrementa (Fig. 11-9a).

Sinterizado en fase líquida

• El proceso se acelera cuando uno de los constituyentes se funde y envuelve al constituyente con temperatura de fusión más elevada. Un líquido que moja las partículas sólidas ejerce presión capilar que mueve y presiona físicamente a las partículas al parejo para una densificación mejor.

• Los aditivos lubricantes reducen la fricción entre partículas, y la que hay entre ellas y la pared del molde.

• Los aglutinantes (como la cera o los polímeros termoplásticos) se agregan polvos que de otra manera no podrían desarrollar una resistencia adecuada en crudo.

Acabado

• La densidad a menudo se mantiene intencionalmente baja para preservar la porosidad interconectada para cojinetes, filtros, barreras acústicas y electrodos de baterías, o cuando los componentes se van a infiltrar.

1. El reimpactado en frío (acuñado o labrado) del compacto sinterizado eleva su densidad y mejora las tolerancias dimensionales. Al resinterizar el compacto represando (Fig. 11-10) se consigue una mayor densificación y el perfeccionamiento de la resistencia.

• Con frecuencia se realiza el tratamiento térmico.

2. La impregnación de un compacto sinterizado de porosidad interconectada puede obtenerse mediante la inmersión en aceite caliente. La acción capilar distribuye el aceite; la aplicación de vacío ayuda al proceso.

3. La infiltración es la impregnación con un metal (por ejemplo, Cu para partes ferrosas), llevada a cabo por inmersión en el metal fundido, o al colocar el metal de infiltración en forma de una lámina arriba o debajo del compacto en un horno; de nuevo, la acción capilar llena los poros.

PRODUCTOS DE LA METALURGIA DE POLVOS2. Los cojinetes se pueden fabricar de manera que combinen la resistencia a la carga y al

desgaste de un componente con la función lubricante de otro. Algunos ejemplos son los cojinetes de hierro o de bronce impregnados con aceite "permanentemente lubricados", los cojinetes rellenos de plástico, los cojinetes de hierro rellenos de plomo y los prensados con grafito (hablando estrictamente, todos ellos se deben considerar como compuestos).

3. Una aplicación pequeña pero importante es en los implantes quirúrgicos (como en la Fig. 1 -5). Una aplicación establecida desde hace mucho tiempo es el relleno de dientes con amalgamas dentales. Estos implantes representan el sinterizado transitorio con fase líquida a temperatura ambiente, en el cual una aleación de Ag-Sn se amalgama con Hg ; el mercurio se consume en la reacción.

4. Algunos metales sólo se pueden producir mediante la metalurgia de polvos. El berilio se prensa en caliente al vacío. El tungsteno se sinteriza y se forja en caliente, en la preparación para el trefilado de alambre para filamentos de lámparas incandescentes; la contaminación controlada con pequeñas cantidades de elementos aleantes (por ejemplo, 0.5% Ni) acelera el sinterizado.

5. En la industria eléctrica, los contactos deben ser buenos conductores y también resistir el desgaste. El tungsteno o molibdeno (añadiéndoles de 25 a 50% de plata o cobre), o el carburo de tungsteno (añadiéndoles de 35 a 55 % de plata) cumplen los requisitos. Las escobillas consisten en grafito aglutinado que contiene de 20 a 97% de cobre o plata.

• 6. Las aplicaciones magnéticas incluyen materiales magnéticamente suaves como el Fe, Fe·3Si, Fe-50Ni, los cuales, debido a su suavidad mecánica, son difíciles de maquinar, pero se producen fácilmente en la forma final por medio de la metalurgia de polvos. Entre los imanes permanentes, los alnico (Fe-AI-Ni-Co) se pueden sinterizar en vez de fundir para la forma final. Sólo la metalurgia de polvos es adecuada para los imanes alargados, extremadamente poderosos, de un solo dominio, los cuales consisten en partículas de R · COs (donde R es una tierra rara como Sm). La compactación ocurre mientras el polvo se orienta en un campo magnético.

• 7. En las aleaciones endurecidas por dispersión, una resistencia elevada en caliente se asegura con la presencia de óxidos estables finamente distribuidos, los cuales evitan la migración y el deslizamiento de la frontera de grano. A menudo, el óxido se produce por oxidación interna después que el compacto de polvo de los metales constituyentes se ha fabricado [por ejemplo, los componentes de níquel disperso en torio para motores a reacción (TD), con 2% Th02, los electrodos de cobre con alúmina dispersa para soldadura y el polvo sinterizado de aluminio (SAP), hasta con 14% de Al203] .

• 8. Cantidades cada vez mayores de aceros para herramienta se fabrican por medio de la metalurgia de polvos. Tales herramientas de acero de alta velocidad tienen una distribución del carburo mucho más fina, y el contenido de éste puede aumentar más allá de los límites encontrados en los aceros producidos

• 9. Las herramientas, las matrices y los materiales resistentes al desgaste más importantes son los carburos cementados. Los polvos de carburo de tungsteno (WC) se muelen con cobalto, de manera que cada partícula se recubre con el metal. Después del prensado, el sinterizado por fase líquida establece una densidad completa. Algunas veces la forma final se determina al esmerilar un compacto presinterizado, que luego se acaba por sinterizado. Los polvos con partículas de 1 a 5 μm se sinterizan para herramientas y matrices . Al incrementarse el contenido de cobalto de 3 a 15%, la dureza disminuye pero la ductilidad se eleva; los componentes de la matriz sometidos a esfuerzos de flexión suelen contener hasta 30% de cobalto.

• 10. Los carburos cementados pertenecen a la clase más amplia de cermets (compuestos de cerámico-metal) que, por definición, incluyen materiales metálicos de fricción para trabajo pesado como: aleaciones de Cu-Sn o Cu-Zn con Si02, Al203 embebidos, etc; elementos de combustible nuclear con U02 disperso en aluminio o acero inoxidable; compuestos metal-no metal (como los contactos eléctricos y las escobillas que contienen grafito), y el diamante aglutinado con metal (por lo general cobre y de 15 a 20% de estaño). Con frecuencia el término se utiliza junto con las herramientas de corte. Los miembros más nuevos de la familia son el TiC aglutinado con una aleación de Ni-Mo o con 50 a 60% de aglutinante de acero para herramienta.