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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
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M2
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.
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Compactación uniaxial: contexto de la tecnología
ventajas del proceso desventajas
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M4
Compactación uniaxial: fundamentos teóricos
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M5
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
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Fundamentos teóricos
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.
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Fundamentos teóricos
� 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
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M9
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
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Tecnología de la compactación uniaxial: el ciclo de compactación
INCREMENTO DE LA PRESIÓN
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Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M11
Tecnología de la compactación uniaxial: el ciclo de compactación
Ciclo de compactación de una pieza simple
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M13
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
Tipos de prensado uniaxial
Prensado de doble efectoPrensado de doble 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 UC3M15
Tipos de prensado uniaxial
Simple efecto con matriz flotanteSimple efecto con matriz flotante
REFERENCIA
"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 UC3M16
Tipos de prensado uniaxial
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..
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M18
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.
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Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño.
PM COMO SUMA DE PRISMASPM COMO SUMA DE PRISMAS
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Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño.
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
Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño.
RELACIÓN ALTURA/DIÁMETRO.No se pueden hacer paredes estrechas. Una pared se considera estrecha si:
•H/espesor >6
•Si espesor <0,8 mm
"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 UC3M22
Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño.
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.
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Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño.
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
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
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Defectos de los compactos en verde
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�� ….….
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Defectos de los compactos en verde
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
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Defectos de los compactos en verde
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
"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 UC3M28
Defectos de los compactos en verde
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.
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Defectos de los compactos en verde
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
"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 UC3M30
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
Defectos de los compactos en verde
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.
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Defectos de los compactos en verde
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
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
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Prensas
Ahorro en coste ���� Nº piezas/min (600 piezas/min)
MECÁNICASMECÁNICAS
HIDRÁULICASHIDRÁULICAS
Fuerza y velocidad
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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
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
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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
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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)
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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
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
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•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
Compactación por ondas de impacto
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Compactación por ondas de impacto
••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.
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La compactación uniaxial
Contexto de la tecnología
Fundamentos teóricos
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 altas densidades• Compactación de polvos precalentados (warm compaction)• Compactación por ondas de impacto (high velocity compac tion –HVC-)
Comparativa de procesos
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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
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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
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