INTRODUCCIÓN A LA PULVIMETALURGIA MARCO DE REFERENCIA Dentro de las variadas tecnologías para trabajar el metal, la Pulvimetalurgia es el más diverso dentro de éstas. El atractivo mayor de la Pulvimetalurgia (PM) es la habilidad de fabricar piezas de formas complejas con excelentes tolerancias y de alta calidad relativamente barato. En resumen, la PM toma polvos metálicos con ciertas características como tamaño, forma y empaquetamiento para luego crear una figura de alta dure za y precisión. Los pasos claves incluye la compactación del polvo y la subsiguiente unión termal de las partículas por medio de la sinterización. El proceso utiliza operaciones automatizadas con un consumo relativamente bajo de energía, alto uso de materiales y bajos costos capitales. Estas características hacen que la PM se preocupa de la productividad, energía y materiales primas. Consecuentemente, el área está creciendo y reemplazando métodos tradicionales de formar metales. Además, PM es un proceso de manufactura flexible capaz de entregar un rango amplio de nuevos materiales, micro estructuras y propiedades. Todo esto crea un nicho único de aplicaciones para la PM, como por ejemplo compuestos resistentes al desgaste. El proceso de la PM se confía con fía en una mirada filosófica distinta a aquellas en la fabricación tradicional de componentes metálicos. Específicamente, la versatilidad de la PM da un horizonte expandido en el procesamiento de materiales: química, tratamiento térmico y micro estructuras son variables y la distribución de las fases y los micro constituyentes sin controlados. Las aplicaciones de la PM son bastante extensivas. Algunos ejemplos del uso de polvos metálicos: filamentos de tungsteno para ampolletas, restauraciones dentales, rodamientos auto-lubricantes, engranes de transmisión de automóviles, contactos eléctricos, elementos de combustible para poder nuclear, implantes ortopédicos, filtros de alta temperatura, pilas recargables, y componentes para aeronaves. La tabla 1.1 provee una colección de usos típicos de componentes provenientes de la PM. A pesar de que esta diversidad de crecimiento nos ayude, el estudio para desarrollar esta tecnología se hace difícil. Tabla 1.1 Ejemplos de usos de Polvos Metálicos
APLICACIÓN abrasivos agricultura aeroespacio automóviles químicos construcción eléctrico electrónico hardware
EJEMPLOS DE USO ruedas polidoras metálicas, equipos de molienda covertores de semillas, equipos de jardín y cesped motores dejet, escudos de calor, boquillas de turbina válvulas, engranes, varillas colorantes, filtros, catalíticos techado de asfañto, calafatear contactos, conectores tintas, paquetes microelectrónicos, lavatorios de calor candados, herramientas, herramientas de cortte
tratamiento de calor
calderas, termocuplas, bandejas de correa
industrial
absorción de sonido, herramientas de corte soldadores, electrodos, llenado de soldadura grasas
uniones lubricación
magnético manufactura
relays, imanes, núcleos moldes, herramientas, rodamientos medicina/dental implantes de cadera, fórceps, amalgamas metalúrgico recubrimiento metálico, aleaciones nuclear escudos, filtros, reflectores equipos de copiadores, cámaras, oficina fotocopiadores artillería personal petroquímico plásticos imprenta pirotécnicos
fusiles, munición, penetradores vitaminas, cosméticos, abones, lápices catalíticos, brocas herramientas, moldes, llenadores, cemento, superficies de desgaste tintas, laminates explosivos, combustible, colorantes, bengalas
DEFINICIONES Algunos términos deberán ser entendidos antes de comenzar con la PM. Primero, un polvo está definido como un sólido finamente dividido , más pequeño que 1mm. En muchos casos el polvo será metálico, a pesar de instancias en que sean combinados con otros elementos como cerámicos o polímeros. Una característica importante del polvo es la relación alta entre el área de superficie y volumen. Las partículas muestran un comportamiento entre aquella del metal y de un líquido. Polvos fluirán bajo el efecto de gravedad para llenar un molde o contenedor, por lo tanto en este caso se comporta como un líquido. Son compresibles con un gas, pero la compresión del polvo metálico es esencialmente irreversible, así como la deformación plástica de un metal. Por ende, los polvos metálicos son fácilmente formados con el comportamiento deseable de un metal luego de ser procesado. La PM es el estudio del procesamiento de polvos metálicos, incluyendo la fabricación, caracterización y conversión de polvos metálicos en componentes ingenieriles útiles. Las secuencias de procesamiento involucra la aplicación de leyes básicas de calor, trabajo y deformación. Es el procesamiento la que cambiará la forma, propiedades y estructura del polvo para obtener el producto final. Tres pasos primordiales se ilustra en la figura 1.1. PROCESAMIENTO DE PULVIMETALURGIA
El flujo conceptual de la PM del polvo durante el proceso hasta el producto final. Se ejemplifica cada paso. Primero se encuentra el área etiquetado por "POLVOS" la que concierne la naturaleza de lo polvos. Énfasis se da a la fabricación, clasificación, caracterización y manejo de los polvos. Segundo punto concierne el muestreo, seguridad, empaquetamiento y transporte. La examinación de tamaños y formas de los polvos son actividades comunes e importantes en el área de las tecnologías de polvos. Las actividades de consolidación tradicional de polvos incluye com pactación y sinterización. Las preocupaciones en esta etapa son la formación y densificación delos polvos. Finalmente, el flujo termina haciendo énfasis en las propiedades finales, haciendo hincapié en la microestructura del producto. Decisiones concernientes en el tipo de p olvo y su fabricación influye en cual fácil será la compactación y sinterización. De esta misma manera, el tipo de secuencia de consolidación aplicado al polvo afectará las propiedades del compacto final y metas específicas de algunas propiedades requieren que se ponga suma atención en el polvo, procesamiento y química. BREVE HISTORIA Los primeros usos de polvos metálicos han sido rastreados hacia varios lugares. Por ejemplo, polvos de oro fueron fusionados sobre joyas por los Incas, y los Egipcios utilizaron polvos de acero en el año 3000 AC. Otro ejemplo de uso temprano es la Columna de Delhi en la India la que data al año 300 DC. Esta columna fue hecha de 6.5 toneladas de acero polvo, durante el siglo 19 el uso de técnicas de Pulvimetalurgia comenzaron en serio. La necesidad de aparatos de platino de laboratorio llevaron al desarrollo de precipitación química de polvos y nuevas rutas de consolidación sin el uso de altas temperaturas. Tales actividades ocurrieron en Rusia e Inglaterra donde polvos precipitados fueron trabajados en caliente para superar la incapacidad de obtener las altas temperaturas para recubrir platino. Al mismo tiempo, monedas eran fabricadas de polvos de cobre, plata y plomo acuñadas y sinterizadas. La época moderna de la PM es rastreado hasta Coolidge quien utilizó polvos de tungsteno para desarrollar un filamento de lámpara durable para Edison. Subsecuentemente, rodamientos porosos de bronce y contactos eléctricos de grafito-cobre fueron desarrollados en los años 30. Al llegar a los cuarentas, PM estaba involucrado en la fabricación de nuevas aleaciones de tungsteno, aleaciones estructurales férreas y metales refractarias. El interés inicial de la PM creció desde una base de materiales, formando elementos comunes como el cobre y hierro por medios de una tecnología de menor costo. Desde los años cuarenta, varios materiales menos comunes han sido procesados desde polvos incluyendo metales refractarios y sus aleaciones (Nb, W, Mo, Zr, Ti y Re). Adicionalmente, el crecimiento de metales estructurales han avanzado igual en el período. La mayoría de las piezas estructurales producidos de polvos son basados en hierro.
Igual de emocionante ha sido la evolución de las aplicaciones. Inicialmente, componentes basados en polvos fueron seleccionados simplemente por su bajo costo. Más reciente, la principal razón de seleccionar una ruta de PM ha sido asociado con el mejoramiento de la calidad, homogeneidad o propiedades en conjunto de costo atractivo y productividad. Las superaleaciones de altas temperaturas de níquel, la dureza específica de aleaciones de aluminio para aeronaves y compuestos de aluminio con expansión termal controlado son algunos buenos ejemplos de esta evolución. No solo podrán ser fabricados con mejor economía de material por medio de polvos, sino también por nuevas y mejores composiciones que están siendo desarrollados así aprovechando el control químico y de la micro estructura. La expansión de los procesos de PM en las áreas que requieren materiales de alta calidad y propiedades únicas crearán más oportunidades para el futuro. RAZONES PARA USAR PULVIMETALURGIA Muchos atributos contribuyen al éxito de la PM. Hay tres categorías que domina y provee un concepto introductorio para el uso de la PM. Primero hay están las variadas aplicaciones las que confían en la economía de producción de piezas complejas. Componentes para la industria automotriz representan buenos ejemplos para esta área y su producción es una inmensa actividad para la PM. Dentro del área de economía de producción de piezas viene la preocupación de la productividad, tolerancias y automatización. Tanto la precisión como los costos son bastante atractivos. Polvos de aleaciones permiten la fabricación bajo el punto de fusión del metal. Esto elimina la segregación y otros defectos asociados con el casting. También ha propiedades únicas o justificaciones de micro estructura para el uso de PM. Algunos ejemplos incluye metales porosos, aleaciones endurecidas por dispersión de óxidos y compuestos de metal-cerámica. La inhabilidad de poder fabricar estas micro estructuras por medio de otras técnicas ha contribuido bastante en el crecimiento de la PM. Por último se menciona aplicaciones cautivas. Estos son los materiales que son bastante complicados de procesar utilizando otras técnicas. Ejemplos ideales son los metales reactivos y refractarios, las que la fundición no es práctico. Otro grupo emergente son los metales amorfos. En muchos casos es deseable poder formar un polvo y desarrollar procesos a bajas temperaturas para evitar daños a la micro estructura. Las técnicas de la PM son atractivos dado que todo el procesamiento puede ser logrado en el estado sólido. EL FUTURO DE LA PULVIMETALURGIA Los éxitos de la PM del pasado han sido atribuidos a los beneficios económ icos. Una comparación relativa de las cantidades de producción de polvos se indica en la figura 1.3. Esta figura normalizada muestra que el área ingenieril constituye el segmento de mayor uso, apoyándose en el bajo costo de los materiales. Más recientemente, los materiales exclusivos y difícil de procesar han contribuido a la expansión de tecnología de la PM. Hay seis ingredientes necesarios para lograr un crecimiento continuo: 1. Alto volumen de producción de piezas estructurales precisas de alta calidad de aleaciones férreas 2. Consolidación de materiales de alto desempeño, donde la densidad total y confiabilidad son las preocupaciones primordiales 3. Fabricación de materiales difíciles de procesar, donde aleaciones de alto desempeño totalmente densas puedan ser fabricados con micro estructuras uniformes 4. Consolidación económica de aleaciones especiales, típicamente compuestos que contienen fases mixtas 5. Sintetización de materiales no equilibrados como amorfos, micro cristales o aleaciones meta estables 6. Procesamiento de piezas complejas con ingredientes exclusivos o formas poco comunes
Figura 1.3 comparación de la producción relativa para algunos de los polvos metálicos más comunes.
La Pulvimetalurgia está creciendo día a día. El uso de polvos metálicos continua expandiéndose y el rubro está creciendo más rápido que cualquier otro método de trabajar metales. Además, la necesidad de personal calificado está creciendo más rápido dado la diversidad y dificultad de las aplicaciones que están siendo desarrolladas por la PM. Está claro que a medida que los conocimientos de esta materia aumentan, aparecerán muchas aplicaciones más para la PM. La mayoría de los usos actuales se basan en la economía de los procesos. El futuro promete más desafíos con la combinación de ahorrar costos y ciertos factores como la confiabilidad, calidad, dureza, control de dimensión y la capacidad de formar piezas exclusivas. La apreciación abierta de estas ventajas proveerán oportunidades de crecimiento económico y tecnológico. Investigaciones del uso de polvos metálicos ofrecen esperanza para aplicaciones aun más diversas, incluyendo aleaciones m agnéticas de alta solidificación, aleaciones nuevas para aeronaves y estructuras de alta dureza involucrando micro estructuras a escalas muy pequeñas. 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. Acabado superficial de alta calidad. No hay pérdidas de material. No se requieren operarios con alta capacitación.
Desventajas
Los polvos son caros y difíciles de almacenar. El costo del equipo para la producción de los polvos es alto. 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 magnesio, zirconio y titanio.
finos
presentan
riesgo
de
explosión,
como
aluminio,
Descripción En lugar de fundir enormes bloques que pesan muchas toneladas se atomiza la colada en pequeñas gotitas de acero líquido y se logra un enfriamiento mucho más rápido que distribuye uniformemente los elementos de aleación y los c arburos dentro del grano de polvo. La pulvimetalurgia permte incrementar significativvamente el contenido de elementos de aleación aumentando el porcentaje de carburos en el acero lo cual no siempre es posible hacerlo en el proceso convencional por razones estructurales. Este proceso permite mejorar
significativamente la resistencia al desgaste del material sin afectar los valores de tenacidad y resistencia a la fractura.
Posteriormente se convierte el polvo de acero ( cuyos granos tienen en promedio un diámetro de 60 micras, es decir, 0.06 mm) en un gran bloque de materia prima li sto para ser llevado a los procesos de laminación. Pero cómo se logra este "milagro"? En delgados contenedores de acero el polvo de acero se comprime mediante un sistema isostático de prensado en caliente (HIP). La prensa isostática comprime los granos de polvo de acero a una presión de 1.000 bares y a una temperatura de 1.200ºC. Para hacer una referencia, las llantas de un automóvil tienen una presión de aprox 2 bares. Bajo estas condiciones de presión y temperatura las cavidades entre los granos de polvo prácticamente desaparecen y las partículas se "fusionan" unas con otras (sinterizado) y forman un único bloque. De esta manera se pueden obtener bloques de acero listos para laminación o forja de hasta 10 toneladas. Este proceso fue aplicado por primera vez en Suecia y Estados Unidos comienzos de la década de los setenta para la obtención de aceros rápidos.
Métodos Para Producir Polvos Todos los metales pueden producirse en forma de polvo, sin embargo no todos cumplen con las características necesarias para poder conformar una pieza. Los dos metales más utilizados para la producción de polvo para la fabricación de piezas son el cobre y el hierro. Como variaciones del cobre se utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón para pequeñas piezas de máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel, plata, tungsteno y aluminio.
Existen diferentes formas de producir polvos metalúrgicos dependiendo de las características físicas y químicas de los metales utilizados: Con maquinado se producen partículas gruesas y se usan principalmente para producir polvos de magnesio. En el proceso de molido se tritura el material con molinos rotatorios de rodillos y por estampado rompiendo los metales, por este método los materiales frágiles pueden reducirse a partículas irregulares de cualquier finura. El proceso de perdigonado consiste en vaciar metal fundido en un tamiz y enfriarlo dejándolo caer en agua. En este proceso se obtienen partículas esféricas o con forma de pera. La mayoría de los metales pueden perdigonarse, pero el tamaño de las partículas es demasiado grande. La pulverización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en aire o en agua. Es un excelente método para la producción de polvo de casi todos los metales de bajo punto de fusión como el plomo, aluminio, zinc y estaño. Algunos metales pueden convertirse en polvo con una agitación rápida del metal mientras se está enfriando. Este proceso se le co noce como granulación. Otro procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata y algunos otros metales es el de depósito electrolítico. Consiste en la inmersión del metal a pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los tanques actúan como cátodos, el hierro o metal a pulverizar se mueve de los ánodos hacia los cátodos depositándose como un polvo fino que puede posteriormente utilizarse con facilidad.
El proceso de manera general consiste en: 1. Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza 2. Mezclado de los metales participantes 3. Conformado de las piezas por medio de prensas 4. Sinterizado de las piezas 5. Tratamientos térmicos Diagrama para la producción de piezas por medio de polvos
