FUNDAMENTO TEORICO PULVIMETALURGIA
La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma determinada (compactado), se calientan en atmósfera controlada (sinterizados) para la obtención de la pieza. Este proceso es adecuado para la fabricación de grandes series de piezas pequeñas de gran precisión, para materiales o mezclas poco comunes y para controlar el grado de porosidad o permeabilidad. Algunos productos típicos son rodamientos, árboles de levas, herramientas de corte, segmentos de pistones, guías de válvulas, filtros, etc. Obtención de los Polvos
Generalmente se realiza de metales puros, principalmente hierro, cobre, estaño, aluminio, níquel y titanio, aleaciones como latones, bronces, aceros y aceros inoxidables o polvos pre-aleados. Procesos típicos son:
Atomización en estado líquido. El metal fundido se vierte a través de un embudo refractario en una cámara de atomización, haciéndole pasar a través de chorros de agua pulverizada. Atomización con electrodo fungible (electrólisis) Se colocan barras o láminas como ánodos en un tanque que contiene un electrolito. Se aplica corriente y tras 48 horas se obtiene en los cátodos un depósito de polvo de aproximadamente 2mm. Se retiran los cátodos y se rascan los polvos electrolíticos. Reducción de óxidos metálicos. Se reducen los óxidos metálicos a polvos metálicos poniéndolos en contacto gas reductor a una temperatura inferior a la de fusión. Pulverización mecánica. Útil en metales frágiles se muele el metal o se lima y se lleva a través de un gas, separándose el metal del gas en una corriente turbulenta dentro de un separador ciclónico. Condensación de vapores metálicos. Aplicable en metales que pueden hervir condensando el vapor en forma de polvo (magnesio, cadmio y cinc)
Dosificación Dosifi cación y mezcla mezcla
Generalmente, para obtener las características requeridas será necesario mezclar polvos de tamaños y composiciones diferentes. Igualmente se puede añadir aditivos que actúen como lubricantes durante el compactado o aglutinantes que incrementen la resistencia del compactado crudo. Debido a la elevada relación área superficial/volumen esto quiere decir que cuanto más dividido esté el polvo, más area de exposición al medio ambiente posee este. La mayoría de los polvos metálicos tienden a reaccionar con el oxigeno del ambiente generando así una flama en la mayoría de los casos, además de otros como el magnesio que es explosivo, por lo que deberán manejarse con precaución, y para contenerlos (los polvos) se utilizan normalmente cuartos de ambientes controlados. Compactación en frío
El polvo suelto se comprime mediante prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz, resultando una forma que se conoce como pieza en verde o compactado crudo. Las prensas más utilizadas son uniaxiales, en la que la presión se aplica al polvo en una sola dirección. Mediante compactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica. Un inconveniente de la compactación uniaxial es la baja relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la pieza y las zonas más próximas al punzón. Para obtener un compacto con mayor densidad se emplean prensas de doble émbolo. Variantes: Prensado isostático en frío (ColdIsostatic Pressing, CIP). Es un método de compactación que se realiza encerrando herméticamente el polvo en moldes elásticos típicamente de goma, látex o PVC, aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que puede ser agua o aceite. Las piezas en verde obtenidas por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas. Una de las principales ventajas de este método de compactación es la alta relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas con respecto a la compactación uniaxial. Es un método muy utilizado para la compactación de piezas cerámicas.
Sinterizado
Consiste en el calentamiento en horno eléctrico o mufla con atmósfera controlada a una temperatura en torno al 75% de la de fusión. En general, los hornos son continuos con tres cámaras:
En la cámara de purga se consume el aire y se volatilizan los lubricantes y aglutinantes al tiempo que se calienta lentamente el compactado. En la cámara de alta temperatura se produce la unión de las partículas de compactado por difusión en estado sólido. En la cámara de enfriamiento se hace descender la temperatura del producto ya sinterizado. En todo el proceso, es fundamental mantener una atmósfera controlada para evitar la rápida oxidación de las pequeñas partículas metálicas al elevarse las temperaturas en presencia de oxígeno. Para ello, se emplean atmósferas reductoras basadas en hidrógeno, amoníaco disociado y nitrógeno.
Por otro lado, también es posible, cuando desee realizarse algún mecanizado, realizar un presinterizado del compactado de forma que pueda manipularse y mecanizarse sin dificultad. Tras el sinterizado definitivo, el mecanizado posterior puede minimizarse e incluso eliminarse. Si el sinterizado se efectúa durante un tiempo prolongado puede eliminarse los poros y el material se hace más denso. La velocidad de sinterizado depende de la Temperatura, energía de activación, coeficiente de difusión, tamaño de las partículas originales. Operaciones de acabado
Acuñado: Prensado posterior al sinterizado para reducir las tolerancias dimensionales de la pieza y obtener un mejor acabado superficial. Si la deformación plástica es masiva, se suele hablar de forjapulvimetalurgica. Impregnación: Para penetrar en la red porosa del material, bien con aceite, caso de los cojinetes, o bien con metal fundido cuando no se desee que el material sea poroso. Otras convencionales son: Tratamientos térmicos y superficiales y Mecanizado.
Causas de la evolución de la resistencia con las variables del sinterizado. Evolución de la forma del poro.
El poro, después de la compactación tiene la forma de un triángulo, evoluciona con el tiempo de sinterización hacia la forma esférica, en una secuencia que puede ser hipotetizada por las intermedia, con unas formas muy irregulares. El poro tiende a formas esféricas, del máximo tamaño permisible, consecuencia de la menor energía superficial de esta disposición. Tiempos grandes de sinterización tienden a aislar los poros desconectados, por el proceso de absorción de los pequeños por los grandes. La velocidad de redondeo del poro y su desconexión de la red de poros es una función directa y exponencial con la temperatura de sinterización.
Las variables que muestran evolución en el tiempo y que tiene influencia sobre la resistencia son, por ejemplo: La forma del poro. La sección de unión entre granos. El radio del fondo de la entalla del poro.
Datos para la selección de materiales de la matriz.
Es evidente que entre el polvo y matriz debe minimizarse el rozamiento a fin de conseguir el mayor aprovechamiento de la fuerza aplicada F y la mayor transmisión de la presión a todas las capas del compacto. La selección del material de la matriz debe realizarse atendiendo a los principios siguientes:
No debe posibilitar la difusión del polvo en la matriz impidiendo la formación de microsoldaduras. La matriz debe ser de alto módulo de elasticidad, E, y baja rugosidad, Rm. Las matrices con recubrimientos cerámicos, nitruros, carburos o boruros, reúnen los requisitos de ausencia de filiación cristalina y alto módulo elástico. El material de la matriz debe tener gran absorción de los lubricantes, los que permiten reducir el coeficiente de rozamiento.
MATERIALES UTILIZADOS:
12 gr de polvo con 97% de cobre, 3% gr de polvo de grafito, una placa de vidrio y una cucharita de plástico.
Aceite
Matriz
Vernier
Horno eléctrico
Lijas (papel abrasivo)
Nital
Microscopio metalográfico
Pulidora
Balanza electrónica
PROCEDIMIENTO
1. Primero medimos todas las piezas de la matriz usando el vernier
2. Mezclamos la cucharita el polvo de cobre y de grafito sobre la placa de vidrio para luego agregarle tres gotas de aceite y colocarlo dentro de la matriz.
3. Después le hacemos una pequeña carga con nuestra mano para fijar el polvo de cobre.
4. luego ponerla en la prensa hidráulica y aplicarle una carga de compresión gradual de 4100kg
5. Extrajimos las probetas y medimos las dimensiones de la probeta resultante
6. Repetimos el mismo procedimiento para las otras dos probetas.
7. Despues medimos las masas de cada probeta
8. Despues de medir la masa llevamos las probetas a la misma temperatura(840ºC) y por diferentes tiempos para despues hacerles un ensayo metalografico y por ultimo medirle la temperatura.
1. Cálculos y Resultados: A. Datos iníciales
Probeta
masa0(gr.)
altura0(mm)
diametro0(mm) Volumen0(mm3)
Densidad0(gr./mm3)
1
11.5 11.8 11.7
11.5 11.2 11.6
13.56 13.45 13.23
0.00878002 0.00745992 0.00760015
2 3
1408.462 1591.3 1594.65
B. Datos después del horno Probeta
h (mm)
P (Kg)
masa (gr)
t(horas)
1
11.1 10.89 9.98
2000 3000 4000
9.01 9.5 9.35
2 h 30 min 14.01115 3 h 30 min 21.4876658 4h 30min 29.0934115
2 3
σ (MPa)
C. Datos después de la metalografía
Probeta
Masa f (gr.) Altura f (mm) Diámetro f (mm)
Volumen f (mm3) Densidad f (gr./mm3)
1
9.1053 9.5564 9.4155
1802.18375 1722.5707 1998.24185
2 3
11.3 16.4 18.8
14.25 14 14.9
diagonal 1
diagonal 2
"d"
109
108.5 72.5 150
108.75 156.765755 86.89 72.75 350.302901 91.01 150 82.4 78.91
73 150
Hv
0.00579 0.00598 0.00521
%P
Con los datos del esfuerzo ejercido sobre la probeta y el porcentaje de densidad se hace el siguiente gráfico:
Esfuerzo vs. %P
92
Probeta2 26.26, 91.01
90 88 86
Probeta 1 26.63, 86.89
Ρ
%
84 82 80
Probeta3 26.63, 78.91
78 26.2
26.3
26.4
26.5
26.6
26.7
Esfuerzo σ (MPa)
Y con los datos de la dureza hallada y el tiempo que permaneció cada probeta en el horno se crea el siguiente gráfico:
Dureza vs. tiempo 400 Probeta2 3.50, 350.30
350 300 ) V250 H ( a 200 z e r u 150 D
Probeta 1 2.50, 156.77
100
Probeta 3 4.50, 82.40
50 0 0
1
2
3
4
Tiempo (Horas)
σ(MPa)
230 229 228 227 226 225 224
Series1 Poly. (Series1)
223 222 221 220 ρ/ρteorico 0.70000 0.71000 0.72000 0.73000 0.74000 0.75000 0.76000
Las fotografías metalográficas de las probetas son las siguientes:
5
Probeta 1:
Probeta 2:
Probeta 3:
2. Conclusiones:
Pudimos demostrar que el sinterizado le proporciona ciertas propiedades al material, en este caso cobre, como por ejemplo cierta dureza, y cierta resistencia, aunque el material se puede deshacer fácilmente. Dependiendo del tiempo que estuvo la probeta en el horno su dureza y otras propiedades variaron considerablemente, aunque no se pudo demostrar la tendencia de aumento de la dureza en función del tiempo del horno ya que la gráfica no muestra ninguna tendencia, esto debido seguramente a errores durante la sintonización. Las fotografía metalografícas variaron en función al tiempo que estuvo la probeta en el horno de modo que a mayor tiempo que estuvo la probeta en el horno se ve que los poros van desapareciendo y haciendo menores esto debido a que el material se comprime más mientras está en el horno. Durante el sinterizado el material pierde masa y también cambia sus dimensiones de cierta forma, y también cambia la densidad como se puede apreciar en el gráfico, aunque en este caso no se pudo demostrar una tendencia de aumento del porcentaje de densidad en función al esfuerzo al que estuvo sometido la probeta, esto debido seguramente a errores durante la medición de las dimensiones y a errores durante la sinterización.
Cuestionario
1.- ¿Qué métodos existen para obtener el cobre en
polvo para sus
aplicaciones en metalurgia de polvos?
Hay gran variedad de procesos para producir polvos de metales, entre los cuales destacan: a) Electrólisis: En este proceso sigue los principios electroquímicos que se aplican a la de cobre electrolítico. Las condiciones de depósito, sin embargo, se cambian para producir un polvo o depósito esponjoso en lugar del producto firmemente adherido deseado en electrorefinación. La formación de depósitos de polvo se ve favorecida por las bajasconcentraciones de iones de cobre y alto contenido de ácido en el electrolito, así como por la alta densidad de corriente eléctrica que actúa en el proceso electrolítico. A pesar de estas condiciones el rendimiento de los depósitos esponjosos, el
control de variables adicionales es necesario para producir polvos quecumplan con los requisitos comerciales. Otros factores son la cantidad y el tipo de agente b) Atomización: En este proceso, el metal fundido es separado en pequeñas goteras que luego son congeladas rápidamente antes de que entren en contacto entre ellas o con una superficie sólida. El principal método para desintegrar la delgada capa de metal fundido es el de someterla al impacto de fuertes golpes de gas (se usan comúnmente Aire, Nitrógeno y Argón) o de líquido (generalmente agua). Variando diferentes parámetros del proceso se puede controlar el tamaño de las partículas. En principio la técnica es aplicable para todos los metales que se puedan fundir pero es comercialmente utilizada para la producción de polvos de Hierro, Cobre, Aceros, Bronce, Aluminio, Plomo y Zinc. c) Reducción a Estado Sólido (Solid State Reduction): Este proceso ha sido, por mucho tiempo el más utilizado para la producción de polvo de hierro. Materia prima seleccionada es aplastada, mezclada con carbón y pasada por un horno continuo en donde reacciona. Este proceso deja una especie de torta esponjada de hierro. Después se aplasta nuevamente, se separan los materiales no metálicos y se tamiza para producir el polvo. Debido a que no se hace ninguna refinación, la pureza del polvo es totalmente dependiente de la pureza de la materia prima. Este mismo proceso se puede utilizar para hacer polvo de cobre. 2.- ¿Qué aplicaciones tiene la metalurgia de polvos de aleaciones a base de cobre?
La alta conductividad eléctrica y térmica del cobre se combina con las propiedades de resistencia al arco y de no-soldadura del tungsteno y el molibdeno, o sus
carburos, para formar una amplia gama de composiciones, diseñada cada una para dar los mejores resultados en cada Aplicación. Estos materiales, en general, se emplean para electrodos de soldadura por resistencia, aplicaciones similares y otras de contacto constante: relés, interruptores, etc. Los materiales resultan excelentes en esas aplicaciones porque resisten los efectos del curvado al interrumpirse las corrientes intensas. Algunas aplicaciones típicas son: • Electrodos para soldadura por resistencia • Electrodos de EDM • Interruptores diferenciales (en aire y aceite) • Puntas de arco • Ruptores de corriente intermitente • Relés / conmutadores
Las aleaciones de cobre-tungsteno AMPCO® son de la mayor calidad existente, y sus propiedades físicas son considerablemente superiores a las especificadas en el estándar RWMA. 3.- La siguiente figura muestra las propiedades del cobre puro sinterizado. ¿Cómo afecta a la elongación y a la resistencia mecánica la presencia de los poros?
Los poros degradan las propiedades mecánicas del material, lo cual se explica por la reducción de área que soporta carga así como la concentración local de tensiones que ellos ocasionan. En particular cuando la cantidad de poros libres se incrementa en un material la resistencia a la fatiga del material disminuye. El aumento de la porosidad en un material PM ocasiona una mayor heterogeneidad en la distribución de tensiones internas y por consiguiente deformaciones plásticas extremadamente localizadas. En términos generales, la resistencia a la fatiga está influenciada por tres parámetros de la microestructura de los poros: el tamaño, su curvatura(geometría) y el espaciamiento entre ellos (distribución). Al relacionar en la grafica el porcentaje de porosidad existente en un material con la elongación y la resistencia a la tracción, nos damos cuenta que a mayor porcentaje de porosidad, mayor será la elongación y la resistencia a la tracción. 4.- La siguiente figura muestra las propiedades del cobre sinterizado, entre otros, para una compresión uniaxial. Para las condiciones de la compresión aplicada, que porcentaje de la densidad se esperaba obtener en caso de haber tenido polvos de composición 100 % de cobre.
Como pudimos apreciar en el gráfico anterior el polvo de cobre será de 100% si es que no hay poros, con impurezas
PARA EL ESFUERZO DE 261MPa
78.65
PARA EL ESFUERZO DE 230 MPa
PARA EL ESFUERZO DE 252 MPa
Conclusiones
La pulvimetalurgia es un método a tener en cuenta porque las propiedades mecánicas alcanzadas en estas piezas son a veces inalcanzables por cualquier tipo de fabricación. La pulvimetalurgia es un proceso económico y rápido. Se requieren presiones elevadas para la obtención de piezas. El tamaño de la pieza no debe ser muy grande. Las piezas pueden ser tratadas térmicamente para mejorar sus propiedades. Durante el calentamiento no se pudo evitar la oxidación de las partículas metálicas. A mayor tiempo de sinterizado, mayor es la densidad de la probeta. Pudimos demostrar que el sinterizado le proporciona ciertas propiedades al material, en este caso cobre, como por ejemplo cierta dureza, y cierta resistencia, aunque el material se puede deshacer fácilmente.
Recomendaciones
Evitar que la pieza a obtener sea muy grande. Evitar la oxidación de partículas metálicas mediante un control adecuado de la atmósfera del horno. Tener los instrumentos de medición, tales como el Vernier, bien calibrados para una buena toma de datos.
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Bibliografía 1.
ASM Handbook Volumen 7 Tecnologías y aplicaciones de polvo de metal, Octubre 19, 2010
2. William Smith Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, cuarta edición. 2007. 3. José ApraizTratamientos térmicos de los aceros. Séptima edición. 1971. 4. Donald AskelandLa ciencia e ingeniería de los materiales. Segunda edición. 5. Lawrence DoyleProcesos de Manufactura y Materiales para Ingenieros 6. Apuntes de clase.
