Castro Da Silva Paulo Renato

Jaramillo García Santiago Alejandro Chimbolema Collaguazo Mariela Belen

Bastidas Bastidas Mercedes Gabriela

06/05/2014

Trabajo de consulta

Grupo#2-12

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA

LABORATORIO DE CIENCIA DE MATERIALES 2

Pulvimetalurgia

1. Generalidades

La Pulvimetalurgia, conocida también como P/M es la fabricación de piezas metálicas las

cuales poseen geometrías intrincadas y precisas por compactación de polvos metálicos

seguida de una densificación y tratamiento térmico [1].

La Pulvimetalurgia permite la elaboración de una pieza virtualmente libre de porosidades

con propiedades (casi) equivalentes a la del material del cual se han obtenido los polvos.

Se fabrica por P/M piezas hechas de materiales que poseen temperaturas de fusión muy

altas y materiales amorfos [2].

Los procesos de P/M son más competitivos que la fundición o el mecanizado, la P/M es la

mejor opción cuando se requiere resistencia mecánica, resistencia al desgaste o las

temperaturas de trabajo sobrepasan las capacidades de los materiales producidos por

fundición a presión. P/M ofrece mucha precisión y elimina casi por completo la necesidad

del maquinado. No tiene rechupes y otros defectos característicos de la fundición. Pese a

todas estas ventajas el proceso de P/M solo es económicamente accesible cuando la

producción es muy alta ya que el equipo necesario es costoso. [3]

2. Métodos de fabricación

La P/M abarca desde la elaboración del polvo metálico hasta la conformación de una pieza

o materia prima (material de stock). Se observa en la figura 1 (anexo 1) la cadena de

procesos de la P/M. Los polvos metálicos pueden producirse por métodos mecánicos o

métodos químicos. Los métodos más comunes incluyen la atomización por agua y por gas,

molienda, aleación mecánica y electrolisis. La reducción de óxidos es el proceso químico

más importante. Se presenta en el anexo 2 y 3 un esquema de los métodos mecánicos y

químicos. Los procesos químicos se utilizan en general para producir polvos con altos

niveles de pureza. La trituración mecánica es el proceso más utilizado aunque se encuentra

algo limitado para materiales dúctiles. La atomización puede considerarse el método más

versátil con una producción mayor a 105 toneladas por año y de una gran variedad de

tamaños (10 a 1000 micrones) [3].

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Grupo#2-12

Se hablara únicamente de los procesos principales para la elaboración de polvos, la

atomización y la trituración mecánica.

La atomización es el proceso dominante para la producción de polvos metálicos y pre-

aleados a partir de aluminio, latón, hierro, aceros de baja aleación, aceros inoxidables,

aceros de herramientas, aleaciones de titanio, etc. La atomización posee altas tazas de

producción y es el único método que permite elaborar polvos pre-aleados [3].

La atomización es simplemente la elaboración de “droplets” a partir de un líquido. Cualquier

material que se pueda obtener en forma líquida puede atomizarse. El tamaño del polvo

obtenido por atomización es de 150 micrones (pueden ser mayores). Los tipos generales

de atomización son:

Atomización de dos fluidos, un metal liquido forma droplets al colisionar con flujos

de gas, agua o aceite a altas presiones. (a y b)

Atomización centrifuga, cuando un metal liquido forma droplets debido a la “fuerza

centrífuga” en un contenedor rotatorio. (c)

Atomización en vacío, cuando el metal liquido es supersaturado con un gas que

causa la atomización del metal en el vacío. (d)

Atomización ultrasónica, cuando una capa de metal líquido es agitada por vibración

ultrasónica. (e)

El método de atomización por dos fluidos ocupa el 95% de la producción comercial [3]. En

la figura 2 (anexo 1) se muestra la producción anual de polvos metálicos por este método y

en la figura 3 (anexo 1) se encuentran esquemas de los diferentes tipos de atomización.

La molienda es el método más utilizado para la producción de polvos de metales duros y

óxidos, también se utiliza como procesamiento secundario de polvos elaborados por otros

métodos. [3]

Los objetivos principales de la molienda son:

Reducción del tamaño de la partícula.

Aumento del tamaño de la partícula. (soldadura en frio)

Cambio de geometría (flaking, formar hojuelas)

Aglomeración

Aleación en estado solido

Estos procesos son basados en datos empíricos ya que no se conoce por completo la

dinámica de las partículas al colisionar en estos medios. Se puede observar en la figura 4

(anexo 1) como el proceso de molienda sirve para aumentar el tamaño de los polvos debido

a la aglomeración de los mismos. [3]

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Para lograr la consolidación de una pieza, se la realiza a partir de distintos métodos. Estos

métodos se los puede clasificar en compactación por alta presión y modelado por baja

presión. [3]

Se debe considerar ciertas condiciones antes realizar algún método de pulvimetalurgia:

El tipo de polvo que se va a utilizar (esférico, en forma de escama, etc.)

La composición química del polvo

El uso de moldes rígidos

La utilización de aglutinantes y lubricantes.

El modelado por baja presión consiste en dar una forma a las partículas en un molde a una

presión relativamente baja (menor a 200 MPa) y mantenerlas unidas con ayuda de un

aglutinante para posteriormente consolidarlas mediante sinterizado. La coalescencia en el

sinterizado se da gracias a la difusión. Los polvos cerámicos y de metales duros son los

más utilizados en este tipo de procesos. [3]

En los métodos de baja presión, es muy difícil compactar una pieza con un determinado

porcentaje de elementos aleantes a partir de polvos pre-aleados, ya que al momento de

realizarse el sinterizado (por efectos de difusión) los porcentajes de aleación varían.

Los pasos básicos en un proceso de modelado por baja presión son:

Formación de una mezcla polvo-aglutinante

Modelación de la mezcla en la forma que se desea obtener

Extracción del aglutinante (por evaporación)

Sinterizado

Se podría decir que el “slip casting” es el proceso más común en el modelado de baja

presión en donde se forma una mezcla de baja viscosidad con un aglutinante de 3% de

alcohol de polivinilo en agua, posteriormente se coloca en un molde a baja presión y a una

temperatura determinada para evaporar el aglutinante. Una vez compactada la pieza se la

trata térmicamente en un proceso de sinterizado donde sus propiedades mecánicas como

la resistencia son mejoradas.

Por otro lado los procesos de compactación por alta presión son más utilizados debido a

que el modelado y la consolidación se dan al mismo tiempo. [2]

La idea básica de este proceso es colocar los polvos en un molde y a determinada

temperatura aplicar presión. Esta presión obliga a que exista una coalescencia de las

partículas de manera análoga a la soldadura por forja.

En los métodos de alta presión, además de controlar fácilmente el porcentaje de elementos

aleantes, se controla la densidad de la pieza acabada que depende de la presión aplicada.

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El método más utilizado es el de compactación uniaxial en molde rígido, que se da a

temperatura ambiente. Consiste en colocar los polvos en un molde rígido e ir aplicando

presión a través de un embolo en una sola dirección. Este proceso genera un gradiente de

densidad que depende de: la forma de grano, la composición química del polvo, la

distribución del tamaño de grano del polvo y la lubricación en el molde.

La siguiente tabla muestra los procesos más comunes por compactación:

Tabla1. Métodos comunes de compactación [3]

3. Materiales utilizados [3]

Como se mencionó anteriormente utilizando las técnicas de P/M puede fabricar piezas o

elementos de materiales con altas temperaturas de fusión. Por ejemplo se pueden elaborar

polvos de Tungsteno, Niobio, Molibdeno, etc. Estos metales se extraen de minerales y se

procesan hasta formar químicos intermedios y luego son reducidos a polvos metálicos. El

Tungsteno es de vital importancia ya que es uno de los elementos aleantes de los aceros

rápidos, por otra parte el carburo de tungsteno es muy utilizados en herramientas de corte.

El mercado principal de los polvos metálicos es la producción de partes elaboradas por P/M,

las cuales son hechas en su mayoría de polvos de hierro y cobre. Los polvos de hierro son

usados principalmente para piezas de automotoras, mientras que 45% de la producción de

polvos de cobre son usados para la manufactura de cojinetes auto-lubricantes. Los polvos

metálicos también encuentran uso en aplicaciones que no envuelven la fabricación de

piezas, por ejemplo 10% de la producción de polvos de hierro es usada para fabricar

electrodos de soldadura, otro 2% es utilizado para aumentar la temperatura en la llama

oxiacetilénica durante el corte. Existen aplicaciones muy variadas tales como la elaboración

de medicinas, fertilizantes, fungicidas, etc.

Los polvos de hierro (puro) son elaborados principalmente por procesos químicos tales

como el Höganäs o el Pyron. El método Höganäs utiliza magnetita pura (Fe3O4) y la reduce

utilizando coque (agente reductor CO) y cal para eliminar el azufre se coloca esta mezcla

en tubos cerámicos a los cuales se les somete a altas temperaturas en intervalos de tiempo

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determinados al final se obtiene polvo de hierro tipo esponja. El método Pyron es diferente

ya que no utiliza un mineral de hierro, utiliza el hierro residual de procesos de laminación o

extrusión y lo somete a limpieza, molienda, oxidación y reducción. Los elementos

elaborados con polvos de hierro pueden ser tratados térmicamente lo cual permite alcanzar

resistencias altas y propiedades específicas.

Los polvos de Cobre pueden elaborarse por métodos químicos a partir de la reducción del

óxido de cobre, siendo este el método más antiguo y más utilizado, pero, también se

produce por métodos mecánicos como la atomización. Los cojinetes auto-lubricantes se

realizan con polvos de cobre y estaño junto a aceites lubricantes que son liberados cuando

el elemento entra en funcionamiento.

Los polvos de aluminio son producidos (casi exclusivamente) por atomización de gas y son

utilizados en la producción de pirotécnicos, explosivos, combustible de cohetes, catalizador

de reacciones químicas, aditivo para concreto, pigmentos para pinturas y tinta de

impresora, etc. Una pequeña parte de la producción (1%) se utiliza para piezas de

automotores (piezas del compresor de aire acondicionado), piezas de componentes

aeroespaciales y elementos estructurales que compiten con las fundiciones da aluminio

superándolas en precisión y calidad de acabado final.

4. Propiedades mecánicas [3]

La respuesta funcional de cualquier producto está determinada por sus propiedades físicas

y mecánicas. Dado que las propiedades de los productos pulvimetalurgicos dependen de

tantas variables (tipo, tamaño y distribución del polvo, densidad, condiciones de

procesamiento (más comúnmente el ciclo de sinterizado, etc.)) es difícil exponer una

información de validez general. No obstante, en general, las propiedades mecánicas

muestran una fuerte dependencia de la densidad, y la porosidad, propiedad inherente en

estos materiales.

La etapa de sinterización también juega un papel significativo en la determinación de las

propiedades físicas y mecánicas finales del producto. Temperaturas de sinterización más

altas y tiempos de sinterización más largos promueven al redondeo del poro y aumentan la

densificación, mejorando así las propiedades mecánicas como la resistencia a la tracción,

ductilidad, resistencia al impacto, y el límite de fatiga. Entre las propiedades físicas más

importantes se encuentran la densidad y la porosidad.

Densidad

Esta propiedad tiene gran influencia en las propiedades del material. Propiedades

relacionadas con la fractura, tales como la tenacidad, ductilidad y fatiga, exhiben más

influencia dependen en gran parte de esta.

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Porosidad

Todas las propiedades de los materiales pulvimetalurgicos están afectadas en mayor o

menor medida por la porosidad en su estructura. La presencia de poros produce la

reducción del área que soporta la carga, así como una mayor concentración de tensiones

lo cual provoca la degradación de las propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas

mejoran a medida que se reduce la cantidad de porosidad. Como aspecto positivo la

porosidad favorece mucho a la amortiguación del sonido y vibraciones de piezas que se

diseñan para aprovechas esta característica. La porosidad tiene un fuerte efecto en la

resistencia, la ductilidad, la resistencia a la fractura y a la fatiga, contribuye a una baja

tenacidad a fractura.

Se presentan algunos ejemplos representativos.

Aleaciones de hierro

Tabla 1. Propiedades mecánicas de aleaciones de hierro fabricadas por P/M

Se observa que dependiendo de la composición química se pueden formar aleaciones con

propiedades distintas por ejemplo, la aleación que contiene níquel supera la resistencia

última de un acero templado (ASTM A709) en un 68% y posee una densidad 5%. También

se puede notar las grandes durezas que alcanzan estas aleaciones al ser tratadas

térmicamente. [4]

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Aleaciones de aluminio

La aleación 601AB tiene 0.25% Cu, 1% Mg 0.6%Si y el resto de aluminio. Los diferentes

tratamientos térmicos (Temper) se encuentran como anexo 4.

Tabla 1. Propiedades mecánicas de aleaciones de aluminio fabricadas por P/M

La resistencia mecánica de las aleaciones en general aumenta con la presión de

compactación, es importante notar que la aleación 6010AB (P/M) supera la resistencia a la

tracción de la aleación 1100-H14 (96%Al) convencional en un 116% en la máxima presión

de compactación. [4]

5. Ventajas y desventajas

Ventajas:

1. Se obtienen geometrías complejas y de precisión sin necesidad de maquinado.

2. Ideal para fabricar piezas de materiales con puntos de fusión altos.

3. Densidad controlable.

4. Producción en serie.

5. Inmensa cantidad de aleaciones.

6. En ciertas aleaciones se puede superar las propiedades mecánicas del material

base

7. Se pueden agregar aditivos lubricantes (cojinetes auto-lubricantes).

Desventajas

1. Maquinaria costosa.

2. Alta tecnificación, solo es rentable para producción en serie.

3. Perdida de la ductilidad o ductilidad muy baja con respecto al material base

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Grupo#2-12

Referencias

1. Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2012). Fundamentals of materials science and

engineering: an integrated approach. John Wiley & Sons. 8Ed, Pag 420, G8

2. Upadhyaya, G. S. (1997). Powder metallurgy technology. Cambridge Int Science

Publishing. Cap 1

3. Handbook, A. S. M. (1998). Metals handbook. Powder Metallurgy, 7.

4. Beer, F. P., Johnston, E. R., & DeWolf, J. Mechanics of Materials, 2002. Tablas

finales

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Grupo#2-12

Anexos

Anexo 1. Figuras

Fig. 1 Pasos básicos en el proceso de Pulvimetalurgia [2]

Fig. 2 Producción anual de polvos metálicos por atomización [3]

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Fig. 3 Tipos básicos de atomización [3]

Fig. 4 Proceso de incremento de volumen del polvo [3]

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Anexo 2. Esquema de los métodos mecánicos [3]

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Anexo 3. Esquema de los métodos electroquímicos [3]

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Anexo 4. Designación tratamientos térmicos P/M aluminio.

Heat Treating T Temper Codes

T1 - Cooled from an elevated temperature shaping process and naturally aged to a

substantially stable condition.

T2 - Cooled from an elevated temperature shaping process, cold worked, and

naturally aged to a substantially stable condition.

T3 - Solution heat treated, cold worked, and naturally aged to a substantially stable

condition.

T4 - Solution heat treated, and naturally aged to a substantially stable condition.

T5 - Cooled from an elevated temperature shaping process then artificially aged.

T6 - Solution heat treated then artificially aged.

T7 - Solution heat treated then overaged/stabilized.

T8 - Solution heat treated, cold worked, then artificially aged.

T9 - Solution heat treated, artificially aged, then cold worked.

T10 - Cooled from an elevated temperature shaping process, cold worked, then

artificially aged.

Fuente: http://www.matweb.com/reference/aluminumtemper.aspx