Metalurgia de Polvos

Es una tecnología para elaborar productos a partir de polvos metálicos. El proceso común es

usar un prensado para dar la forma deseada y luego se le puede dar un tratamiento térmico

llamado sinterizado realizado a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal,

resultando con esto una mejora en la resistencia y otras propiedades del producto terminado.

Frecuentemente se mezclan con polvos metálicos o no metálicos para mejorar cualidades de

liga de partículas y ciertas propiedades del producto final:

Ejemplo:

Cobalto + tungsteno = pastillas para maquinado

Grafito + metal = cualidades lubricantes, cojinetes

ATOMIZACION

En este proceso el metal fundido (puro o aleado).

Es dividido en partículas que son solidificada antes de que entren en contacto entre si o con

otra superficie.

Consiste en desintegrar un chorro fino de metal fundido por la acción de un chorro de gas o

líquido de alta energía.

Los medios de atomización mas usado son el aire, nitrógeno o argón , y el agua como líquido.

El tamaño y la forma de las partículas depende de:

Temperatura

Diámetro de salida del chorro

Energía y T del medio atomizante

Tipo de inyector

Viscosidad del Metal

Ejemplo:

Si aumenta la velocidad de salida y presion, entonces baja el tamaño de las partículas del

metal

TRITURACION Y MOLIENDA

Reducción de las dimensiones de los materiales por la acción de fuerzas externas

Aplastamiento

Abrasión

Fractura

La trituración depende de:

Velocidad de Rotación

Masa de las bolas

Volumen del material

Tiempo

Maquinas:

Molino de bolas planetario

Molino de bolas

PROPIEDADES DE LOS POLVOS

El objetivo de la pulvimetalurgia es la obtención de un componente metálico acabado a partir de

los polvos del metal.

Por consiguiente es natural que las características de dichos polvos determinen las propiedades

finales del componente y repercutan en las etapas de sinterización y compactación

LA FORMA indica la geometría de la partícula. Dicha geometría depende del método empleado

para obtener el polvo. Puede determinarse directamente por observación microscópica óptica o

bien electrónica, especialmente por microscopia de barrido electrónico (SEM).

• En dependencia de la naturaleza química del metal y el método de fabricación, las

partículas presentan diferentes formas.

• La forma de las partículas influyen en la densidad y compresibilidad de polvo; así como en

la densidad, resistencia y homogeneidad de los compactos.

• El método Hausner se utiliza para clasificar la forma de las partículas . A partir de 3

mediciones se calcula , área, perímetro , ancho y largo , dimensiones con las que se

determinan los factores de alargamiento, volumétrico y superficial llamados factores de

forma, y tomando esto como base se realiza la clasificación de las partículas.

LA COMPOSICIÓN del polvo se obtiene mediante el análisis químico, el cual nos permite conocer

la naturaleza del material y su pureza.

Por otra parte, la práctica pulvimetalúrgica requiere, como característica de gran interés, conocer

además la distribución de las impurezas.

El óxido interior de la partícula pasa al componente sintetizado sin interferir apenas, mientras que

el óxido superficial o bien es eliminado en la atmósfera reductora del horno o bien dificulta la

unión de las partículas. Conviene, por lo tanto, conocer la cantidad de óxido superficial

TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE PARTÍCULA

Tienen efectos significativos en el comportamiento de polvo metálico durante su proceso. En gran

medida, estas características determinan las propiedades del producto final. Uno de los métodos

más comunes es mediante mallas o tamices.

El tamaño de la partícula queda definido por sus dimensiones. En el caso de partículas esféricas, el

tamaño se expresa mediante su diámetro.

Cuando se trata de partículas no esféricas, se aplica el concepto de diámetro medio, cuya

definición depende del método escogido para su determinación.

Por ejemplo, si se emplea el tamizado, se expresa el diámetro medio en términos de la malla

DENSIDAD APARENTE

Se define densidad aparente de un metal en polvo al peso de este por unidad de volumen

expresado en gramos por centímetro cúbico

La densidad aparente interviene directamente en los parametros de procesados tales como el

diseño del herramental para la compactación y la magnitud de la presión requerida para

compactar y aumentar la densidad.

VELOCIDAD DE FLUJO

El tiempo requerido para que una muestra de polvo de un peso patrón fluya bajo

condiciones atmosféricas a tráves de un conducto situado en la parte inferior de la

cavidad de un recipiente o contenedor.

Antes de que un polvo sea usado en producción , sus características de flujo deben ser

conocidas , ya que algunas herramientas requieren polvos de flujo libre , mientras

otras trabajan con polvo de baja velocidad de flujo.

COMPRESIBILIDAD O COMPACTABILIDAD

Capacidad de un polvo a reducir su volumen por compactación bajo una presión.

Se determina según la norma ISO 3927 , y determina la dependencia de la densidad en

verde a presión (=m/V)

PREPARACIÓN DE POLVOS ESPECIALES

• Polvos mezclados.

o Se refiere a la mezcla de polvos de la misma composición química pero

posiblemente con diferente tamaño de partículas.

o Se usan principalmente porque son mas baratos de producir y requieren mas bajas

presiones para el prensado

• Polvo prealeado.

o Proporcionan propiedades del producto similares a la composición fundida

cuando se alcanza una densidad máxima.

o Requieren menores temperaturas para su producción y que proporcionan la suma

de las propiedades de los dos metales unidos similares a las que se obtendrían con

la fundición.

o Permite la producción de aleaciones como, aceros inoxidables.

o Propiedades: resistencia a la corrosión, alta resistencia o resistencia la

temperatura elevada.

• Polvos recubiertos.

o Los polvos pueden ser recubiertos con determinados elementos cuando pasan por

medio de un gas portador. Cada partícula es uniformemente revestida, cuando se

sinteriza adquiere las propiedades del recubrimiento.

o Esto permite el uso de polvos más baratos.

o Los productos son mas homogéneos que los producidos por mezcla

Métodos de mezclado de polvos

o Tambor rotativo

o Doble cono rotativo

o Mezcladora de tornillo

o Mezclador de paleta

o Mezclador Pantalón

Durante el mezclado generalmente se añaden ingredientes:

Lubricantes (estearato de zinc, aluminio en pequeñas cantidades para reducir la fricción)

Aglutinantes: solo en algunos casos cuando no se sinteriza

Desfloculantes: inhiben la aglomeración del polvo para que fluya durante la alimentación a un

molde.

Compactación de Polvos

Consiste en la acción de comprimir al polvo que fluyó a un recipiente con la forma deseada de la

pieza a producir.

Normalmente se usan prensas mecánicas, hidráulicas o combinaciones.

Se usan alimentadores que son una sobre medida del dado para rellenar el polvo faltante.

Las prensas pueden ejercer presión en una dirección o dos direcciones.

Las presiones típicas oscilan entre las 10000 psi (70Mpa) polvo de aluminio, 100000 psi (700Mpa)

polvo de hierro y acero.

Existen varios métodos de conformación:

• Prensado :

Los polvos se prensan en moldes de acero con la forma requerida

La presión varía entre 20 y 1400 Mpa.

Los polvos plásticos no requieren de altas presiones, como los que son más duros.

La mayoría de las prensas que fueron diseñadas para otros fines pueden ser utilizadas para la

producción de piezas de polvo.

Pueden utilizarse prensas hidráulicas sin embargo es más común que se usen las mecánicas debido

a su alta capacidad de producción.

La carrera de los punzones depende de la razon de compresion del polvo

Para hierro y cobre 2.5 – 1 aprox.

La pieza expulsada se le conoce como “pieza en verde”

La resistencia final se obtiene por sinterización

Tamaño de la pieza limitado por la capacidad de la prensa utilizada:

Área máxima de una pieza:

A = área, m2

F = capacidad de la prensa, N

P = presión de prensado requerida, Pa

Una presión mayor origina:

Una densidad mas alta en la pieza

Resistencia a la tensión mayor

La densidad se puede aumentar usando polvo de tamaño de partícula menor

Compactación centrífuga

Los moldes se llenan con polvos metálicos pesados y luego se centrifugan para obtener presiones

de hasta 3 Mpa. Con lo anterior se obtienen densidades uniformes producto de la fuerza

centrífuga en cada partícula de polvo. Posteriormente se extraen las piezas de los moldes y se

sinterizan con lo que adquieren su dureza final.

Se limita a partes hechas con polvos pesados, carburo de tungsteno p.e.

P

FA

Las piezas deben ser de una sección uniforme

Conformación por vaciado

Las piezas para tungsteno, molibdeno y otros polvos se hacen algunas veces por compactación por

vaciado.

Este procedimiento consiste en hacer una lechada con el polvo del metal que se va a utilizar, esta

se vacía en un molde de yeso. Como el molde de yeso es un material poroso drena gradualmente

dejando una capa sólida del material metálico.

Después de transcurrido el tiempo suficiente para tener una capa lo suficiente gruesa, se

sinterizan las piezas de manera normal. Para objetos huecos es muy útil este procedimiento.

Permite considerable variación en dimensiones

Se usa también en producción de piezas metálicas

Extrusión

Para la fabricación de piezas largas producidas a partir de polvos metálicos, deben producirse a

través del proceso de extrusión.

Los métodos a utilizar para este proceso dependen de las características del polvo.

Algunos se extruyen en frío con un aglutinante y otros se calientan hasta la temperatura de

extrusión.

Generalmente el polvo se comprime en forma de lingote y posteriormente se calientan y

sinterizan antes de pasarlos a la prensa para la extrusión.

Pueden extruirse metales como aluminio, cobre, níquel, etc.

Método más popular, se pone el polvo al vacío, se calienta y se extruye, este método alcanza un

alto grado de densidad.

Sinterizado por gravedad

Laminas metálicas porosas con porosidad controlada

Especial aplicación para fabricación de láminas de acero inoxidable.

Las láminas son resistentes a la corrosión y se usan para filtros de gasolina, aceite y productos

químicos.

METODO:

Se deposita un espesor uniforme de polvo sobre charolas de cerámica y se sinterizan hasta por 48

horas en gas de amoniaco a alta temperatura.

Las hojas se laminan para obtener uniformidad en espesor y un mejor acabado superficial.

Laminado

Proceso similar

Los polvos se alimentan desde una tolva a dos rodillos, los comprimen y entrelazan para formar

lámina.

Se lleva a un horno de sinterizado

Se pueden pasar después por otros rodillos, tratarse térmicamente.

Opción para mezclar polvos antes del proceso para producir laminas de aleación.

Cobre, Latón, Bronce, Monel (níquel-cobre) y acero inox.

Moldeo Isostático

Es una manera muy especial de prensar polvos en un fluido comprensible para evitar la

compactación no uniforme que a veces se observa en los troqueles.

El polvo se encapsula en un recipiente que se pueda comprimir y se sumerge en un fluido

presurizado. Las formas del recipiente y de los corazones removibles determinan la forma del

prensado.

El prensado puede ser en caliente o en frio.

Frío: compactado a temperatura ambiente, se usan moldes flexibles (hule o elastómeros).

Se usa agua o aceite para ejercer la presión hidrostática contra el molde dentro de la cámara.

Tiene densidad mas uniforme pero requiere trabajos de formado y acabado antes o después del

sinterizado.

Caliente: se usa gas para comprimir (argón o helio) el molde es de lamina de metal. El proceso es

costoso. Objetivo: piezas aeroespaciales.

Por inyección de polvos:

Similar al proceso de plástico, se mezcla el polvo con aglomerante apropiado, se forman pellets

granulares, se calienta el pellet y se inyecta a la cavidad del molde, se enfría y se retira el molde, se

remueve el aglomerante por proceso térmico o solvente, se sinteriza la pieza, se dan procesos de

acabado si se requiere.

Forjado de polvo:

Una pieza preformada mediante prensado y sinterizado al tamaño apropiado es forjada.

Se requiere de pocos golpes, la herramienta no es muy costosa y se tiene buena velocidad de

producción

Prensado en caliente:

Es como el prensado convencional pero se aplica calor durante el prensado

El producto es duro, tenso, fuerte y bien dimensionado.

Uso: productos de carburo usando moldes de grafito.

Sinterizado

Operación de tratamiento térmico que se realiza sobre el polvo compactado para unir las

partículas metálicas, esto se lleva entre un 70% a un 90% de la temperatura de fusión del metal

Es el proceso por medio del cual con el aumento de la temperatura, las partículas de los cuerpos

sólidos se unen por fuerzas atómicas. Con la aplicación de calor, las partículas se prensan hasta su

más mínimo contacto y la efectividad de las reacciones a la tensión superficial se incrementan.

Durante el proceso la plasticidad de los granos se incrementa y se produce un mejor

entrelazamiento mecánico por la formación de un lecho fluido. Cualquier gas presente que

interfiera con la unión es expulsado. Las temperaturas para el sinterizado son menores a la

temperatura de fusión del polvo principal en la mezcla utilizada.

El tiempo de sinterizado varía entre los 20 y 40 minutos.

Sinterizado por chispa:

Este supera algunos problemas del prensado caliente

Se coloca polvo o pieza preformada en un dado.

Se prensa

Los punzones sirven como electrodos soltando una descarga eléctrica por 12 a 15 seg. y forma la

pieza. Se aplica a varios metales.

La probeta es calentada mediante impulsos eléctricos de alta corriente y bajo voltaje.

Cortos tiempos de sinterización.

Sinterizado en fase liquida:

Se combinan dos polvos con diferente punto de fusión

Se calienta al punto de fusión de uno.

Sale una pieza sin poros y fuerte.

Ejemplo: Fe-Cu, W-W, Cu-Co

Operaciones secundarias

Densificación y dimensionamiento:

Represando: para aumentar la densidad y mejorar las propiedades físicas.

Dimensionamiento: compresión de una parte de la pieza para asegurar su dimensión.

Acuñado: imprimir detalles en su superficie.

Maquinado: solo para cuando hay roscas internas o externas, barrenos laterales, etc.

Impregnación e infiltración

Impregnación: introducir aceite y otro fluido dentro de los poros de la pieza. Ejemplo: bujes o

engranes en bronce con un 10% a 30% de aceite en volumen, la pieza se sumerge en un baño de

aceite caliente.

Infiltración: introducir metal fundido en los poros, siendo este de menor punto de fusión, la acción

de capilaridad absorbe el metal líquido, origina piezas más compactas, más tenaces y resistencia

mejorada. Ejemplo: hierro sinterizado con cobre liquido.

Tratamiento y acabado

Tratamiento térmico: se usan los mismos procesos que cualquier otra pieza, precaución al

calentamiento con sales por la porosidad pueden absorberlas

Acabado: se pueden chapar y recubrimientos con fines de apariencia y resistencia a la corrosión

normalmente se cubren con cobre, níquel, cromo, zinc, cadmio.

Ventajas y limitaciones del proceso de producción por la metalurgia de los polvos

Ventajas

La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas

moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso.

Porosidad controlada

Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad

Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también piezas de

alta pureza.

No hay pérdidas de material

No se requieren operarios con alta capacitación

Limitaciones

Los polvos son caros y difíciles de almacenar

El costo del equipo para la producción de los polvos es alto

Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más económicamente

Es difícil hacer productos con diseños complicados

Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con los

materiales de bajo punto de fusión.

Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio, magnesio,

zirconio y titanio.

Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.

Algunos productos fabricados por este procedimiento

Filtros metálicos

Carburos cementados

Engranes y rotores para bombas

Escobillas para motores

Cojinetes porosos

Magnetos

Contactos eléctricos