Tema 4: La compactación uniaxial

Tema 4: La compactación uniaxial

Contexto de la tecnología

Fundamentos teóricos

Tecnología de la compactación uniaxial

Ciclos de compactación

Tipos de compactación uniaxial

Consideraciones de diseño

Defectos de los compactos en verde

Prensas

Compactación uniaxial para conseguir altas densidades

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M1



Tecnología de la compactación uniaxial• Ciclo de compactación• Tipos de compactación uniaxial• Consideraciones de diseño• Defectos de los compactos en verde• Prensas

Compactación uniaxial para conseguir alta densidad• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)

Comparativa de procesos


Compactación uniaxial: contexto de la tecnología

� La compactación uniaxial es un proceso de conformado de

polvos en el que la presión se transmite a la masa de polvos en

una única dirección.

� Esta circunstancia conlleva algunas limitaciones (tamaño, forma)

en la pieza final que puede obtenerse, pero abre la posibilidad

de establecer procesos de tipo semicontínuo, abaratando el de establecer procesos de tipo semicontínuo, abaratando el

producto final.

� Es decir, el contexto de la tecnología es el de piezas de pequeño

tamaño, gran complejidad en una de sus direcciones y grandes

series de producción.


Compactación uniaxial: contexto de la tecnología

ventajas del proceso desventajas


Compactación uniaxial: fundamentos teóricos




Compactación uniaxial para conseguir alta densidad• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)



Compactación uniaxial: fundamentos teóricos.

Si se aplica presión, de forma uniaxial, a partículas confiandasen una matriz, se obtiene unacurva densidad/presión,

ΦΦ

La pendiente decrece al aumentar P y la densidad teórica no se alcanza

curva densidad/presión, llamada de compresibilidad

Höganäs AB, PM School, www.hoganas.com



Fe CIPFe CIP

Relación entre porosidad/densidadRelación entre porosidad/densidad

¿¿Por qué no se puede alcanzar la densidad teórica?Por qué no se puede alcanzar la densidad teórica?

�� Al aumentar la P se produce un Al aumentar la P se produce un endurcimiento endurcimiento por deformaciónpor deformación ⇒⇒ ↑↑ σσyy

�� Simultáneamente, los puntos de contacto entre las partículas Simultáneamente, los puntos de contacto entre las partículas ↑↑ ⇒⇒ las fuerzas de las fuerzas de

cizalladuracizalladura efectivas dentro del compacto efectivas dentro del compacto ↓↓↓↓↓↓↓↓..

⇒⇒ Como PComo Pcompcomp=cte, el esfuerzo de cizalladura decreciente se encontrará con un =cte, el esfuerzo de cizalladura decreciente se encontrará con un

límite elástico en aumento; cuando esto suceda el proceso de densificación se límite elástico en aumento; cuando esto suceda el proceso de densificación se

detendrá.detendrá.




� Se puede formar una zona neutra –de menor densidad-. Especialmente problemático para piezas con paredes altas y

r

x

aa exµ

σσ2

)0()(−

=

Debido a la fricción entre las paredes del molde y la circunferencia del Debido a la fricción entre las paredes del molde y la circunferencia del compacto, la presión axial se reduce exponencialmente con la distancia al compacto, la presión axial se reduce exponencialmente con la distancia al punzón en movimiento.punzón en movimiento.

para piezas con paredes altas y finas.

La densidad cambia según nos alejamos del punzón desde el que se aplica presión



La compactación uniaxial




Compactación uniaxial para conseguir altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)



Tecnología de la compactación uniaxial: el ciclo de compactación

1. Llenado del molde

2. Transferencia del polvo

3. Compactación del polvo

� Deformación elástica

� Deformación plástica� Deformación plástica

� Unión en frío de las partículas de polvo

4. Eyección de la probeta en verde



INCREMENTO DE LA PRESIÓN




Ciclo de compactación de una pieza simple



Tipos de prensado uniaxial

Prensado de simple efectoPrensado de simple efecto

"Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M14


Prensado de doble efectoPrensado de doble efecto



Simple efecto con matriz flotanteSimple efecto con matriz flotante

REFERENCIA



1.1. Matriz estacionariaMatriz estacionaria, dos , dos punzones móvilespunzones móviles

Tres formas de obtener doble compactación simétrica

2.2. Punzón inferior estacionario y Punzón inferior estacionario y

3.3. Punzón inferior estacionario, Punzón inferior estacionario, y y la matriz se retraela matriz se retrae a mitad de a mitad de velocidad que el punzón velocidad que el punzón superior.superior.

2.2. Punzón inferior estacionario y Punzón inferior estacionario y matriz flotantematriz flotante..



Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño.

1. Todas las partes del interior de la matriz deben rellenarse con la

cantidad exacta de polvos.

2. La densidad del compacto debe ser lo mas homogénea posible.

3. En todas las zonas del interior de la matriz, la densificación de los

polvos debe producirse de forma simultánea , con el fin de asegurar

una unión suficiente entre las partes adyacentes.

4. El compacto se debe retirar del utillaje de compactación sin sufrir

daños.



PM COMO SUMA DE PRISMASPM COMO SUMA DE PRISMAS



FORMAFORMA EXTERIOR = FORMA DE LA MATRIZEXTERIOR = FORMA DE LA MATRIZ"Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M21


RELACIÓN ALTURA/DIÁMETRO.No se pueden hacer paredes estrechas. Una pared se considera estrecha si:

•H/espesor >6

•Si espesor <0,8 mm



DIMENSIONESDIMENSIONES:

Máxima sección:

cada cm2 de área proyectada, requiere una fuerza de prensado de 5-6 toneladas.

Máxima altura:

la condicionan el utillaje, coeficientes de fricción, densidades... Normalmente < 75 mm.



Dirección perpendicular a la dirección de prensado:

IT9 (IT8 excepcionalmente) (Por calibrado se gana una unidad IT)

Distancia entre centros de agujeros paralelos a la dirección de prensado: IT8 + 0,03

Planitud: 0,0015 x D (D = máxima dimensión)

Diseño de piezas: ToleranciasDiseño de piezas: Tolerancias

Planitud: 0,0015 x D (D = máxima dimensión)

Paralelismo: 0,002 x D (D = máxima dimensión)

Perpendicularidad: 0,002 x D (D = máx. dim.)

Redondez: (IT8-10)/2



Defectos más importantesDefectos más importantes

�� GrietasGrietas

CausasCausas

�� Exceso de lubricanteExceso de lubricante�� Mala extracción (fuerza, Mala extracción (fuerza,

diseño,…)diseño,…)�� Mal diseño de la pieza Mal diseño de la pieza

(relación altura diámetro)(relación altura diámetro)Mal diseño de los materiales Mal diseño de los materiales

�� Faltas de materialFaltas de material

�� Mal diseño de los materiales Mal diseño de los materiales del utillajedel utillaje

�� ….….

�� Manipulación inadecuadaManipulación inadecuada�� Mal diseño de matriz (huecos)Mal diseño de matriz (huecos)�� Grietas próximas a la Grietas próximas a la

superficiesuperficie�� ….….



Llenado del moldeLlenado del molde� Distribución de TP adecuada� Secciones menores >> que el tamaño

de la partícula mas grande. Se debe Se debe tener cuidado cuando se llenan tener cuidado cuando se llenan secciones delgadas. Puede secciones delgadas. Puede bloquearse material bloquearse material �� puentespuentes

� Secciones mínimas de a∼∼∼∼∼∼∼∼ 1mm 1mm �� si si � Secciones mínimas de a∼∼∼∼∼∼∼∼ 1mm 1mm �� si si son menores hay riesgo de son menores hay riesgo de sergregaciones sergregaciones




Presión de punzones BAJAPresión de punzones BAJA �� puede causar un flujo de polvo que puede causar un flujo de polvo que origina la aparición de grietas al final del ciclo de prensadoorigina la aparición de grietas al final del ciclo de prensado



Presión de punzones ALTAPresión de punzones ALTA �� puede causar un puede causar un flujo de polvoflujo de polvo desde las desde las

zonas de mayor P a las de menor y originar la aparición de grietas.zonas de mayor P a las de menor y originar la aparición de grietas.



Los distintos niveles de Los distintos niveles de recuperación elásticarecuperación elástica en cada punzón pueden en cada punzón pueden originar grietas al cesar la presión en los punzones superioresoriginar grietas al cesar la presión en los punzones superiores

Densificación Simultánea


Se pueden formar grietas Se pueden formar grietas debido a diferentes debido a diferentes expansiones de los punzones.expansiones de los punzones.

Solución:Solución: Mantener una Mantener una


Problemas potenciales durante la liberación de la cargaProblemas potenciales durante la liberación de la carga

Retirada del punzón superior � Pa~0 � expansión axial elástica � Si existen varios punzones, la expansión será diferente y pueden provocar fracturas.

σσσσa~0

Solución:Solución: Mantener una Mantener una contrafuerza hasta que la contrafuerza hasta que la pieza se ha expulsado.pieza se ha expulsado.




LaLa recuperaciónrecuperación elásticaelástica obligaobligaaa queque lala salidasalida deldel moldemolde tengatengaconicidadconicidad yy queque elel bordeborde superiorsuperiortengatenga unun radioradio..

Problemas potenciales durante la expulsión por mal diseño Problemas potenciales durante la expulsión por mal diseño de la matrizde la matriz



Prensas

Ahorro en coste �� Nº piezas/min (600 piezas/min)

MECÁNICASMECÁNICAS

HIDRÁULICASHIDRÁULICAS

Fuerza y velocidad


Prensas

PRENSAS MECÁNICASPRENSAS MECÁNICAS

VENTAJASVENTAJAS DESVENTAJASDESVENTAJAS

�� Prensado rápidoPrensado rápido�� Complejidad de las piezas limitada. Complejidad de las piezas limitada. �� Tamaños pequeños.Tamaños pequeños.�� Tamaños pequeños.Tamaños pequeños.

PRENSAS HIDRÁULICASPRENSAS HIDRÁULICAS

VENTAJASVENTAJAS DESVENTAJASDESVENTAJAS

�� Libertad para geometrías más Libertad para geometrías más complejas. complejas. ��Tamaños grandes.Tamaños grandes.

�� Ciclo de prensado lentoCiclo de prensado lento





Tecnología de la compactación uniaxial

• Ciclo de compactación• Tipos de compactación uniaxial• Consideraciones de diseño• Defectos de los compactos en verde• Prensas




Compactación de polvos precalentados -WC

1. Mezcla lista para 1. Mezcla lista para prensar.prensar.

2. Precalentamiento del 2. Precalentamiento del polvo (130 ºC).polvo (130 ºC). 3. Prensado con 3. Prensado con

matrices calientes matrices calientes (150 ºC).(150 ºC).

La forma de mejorar las propiedades mecánicas con prensadouniaxial de aleaciones férreas

(150 ºC).(150 ºC).

4. Mecanizado en 4. Mecanizado en verde.verde.

5. Sinterización5. Sinterización

Höganäs AB, PM School, www.hoganas.comTec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M37

Compactación de polvos precalentados

200

250Lí

mite

elá

stic

o (M

Pa)

Fe + 1.5% Mo Fe

¿Cómo afecta la T a la ε permanente?

50

100

150

25 50 75 100 125 150 175 200

Temperatura (°C)

Lím

ite e

lást

ico

(MP

a)



3. Ventajas del “warm compaction”

� Mejora de las propiedades en verde. El aumento de la resistencia en

verde permite el mecanizado en verde.

� La distribución de densidades más homogénea mejora la fiabilidad y

las tolerancias.

� El incremento de densidad produce una mejora de las propiedades

mecánicas.

� El menor tamaño de los poros, y su forma redondeada mejora las

propiedades dinámicas.

� Provoca menores variaciones dimensionales menores

(...recuperación elástica!).

� El proceso en su conjunto es más barato a igualdad de prestaciones


•Altas densidades en verde.

•Alta productividad.

•Menores variaciones dimensionales.

•Geometría limitada.

Compactación por ondas de impacto

MartilloMartillo

M=115 kg.M=115 kg.

v= 10 m/sv= 10 m/s

Polvo a Polvo a

compactarcompactarCompactación por ondas de impacto

La densificación se controla con la energía de impacto.

PunzonesPunzones

BaseBase

MatrizMatriz

Esquema de la Máquina de Impacto Hydropulsor HYP35-4-Höganäs AB




••Mejora de las propiedades en verde. Mejora de las propiedades en verde. El aumento de la resistencia en verde El aumento de la resistencia en verde

permite el permite el mecanizado en verde.mecanizado en verde.

••Distribución Distribución dede densidades homogénea densidades homogénea

••El incremento de densidad El incremento de densidad produce una mejora de las propiedades produce una mejora de las propiedades

mecánicas.mecánicas.

••Provoca menores variaciones dimensionales menores Provoca menores variaciones dimensionales menores (...recuperación (...recuperación

elástica!).elástica!).

••Alta productividad: El proceso en su conjunto esAlta productividad: El proceso en su conjunto es más barato más barato a igualdad de a igualdad de

prestaciones.prestaciones.

••Piezas más grandes.Piezas más grandes.


Compactación uniaxial. Comparativa de procesos

125%

150%

175%

200%C

oste

Rel

ativ

o

HVC(P2S2)

Forja P.

2P2S

75%

100%

125%

7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8

Densidad (g/cm 3)

Cos

te R

elat

ivo

HVC(P1S1)

1P1S

WC


Paul Skoglund, MPIF Advances in High Density seminar October,

2-3 2003 Cleveland, OH USA

Compactación uniaxial. Comparativa de procesos

89

91

93

95

97

99

%R

el. d

ensi

dad

1120ºC 1250ºC

85

87

89

1P1S WC 2P2S HVC 2HVC P. FORGING



Tema 4: La compactación uniaxial

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