UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA 4TO. INFORME INFORME DE LA BORA TORIO
SINTERIZACIÓN
CIENCIA DE LOS MATERIALES II MC115 -C PROFESOR: Ing. VERA ERMITAÑO Jorge INTEGRANTE: MOLINA MOSCOSO Dennis Ahmed
FECHA DE PRESENTACIÓN
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20112050D
26/11/2011
Lima – Perú
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ÍNDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ ....................................................................................................................... 3 FUNDAMENTO FUNDAMENTO TEÓRICO .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 4 Pulvimetalurgia ............................................................... ....................................................................................................................... ........................................................ 4 PROCESO ........................................................................................................................... .......................................................................................................................... 4 CERMETS .................................................................... ........................................................................................................................... ....................................................... 4 POLVOS DE METAL ............................................................ ......................................................................................................... ............................................. 5 FABRICACIÓN DE POLVOS METÁLICOS ................................................................... 6 PROCESOS DE FABRICACIÓN ......................................................................................... 6 COMPRESIÓN............................................................ .................................................................................................................... ........................................................ 6 SINTERIZADO .................................................................................................................... .................................................................................................................... 9 IMPREGNACIÓN.................................................................... ................................................................................................................ ............................................ 9 INFILTRACIÓN ................................................................................................................... ................................................................................................................... 9 TRATAMIENTO TÉRMICO ................................................................................................. ................................................................................................ 10 ELECTRODEPOSICIÓN ..................................................................................................... .................................................................................................... 10 MAQUINADO ................................................................... ........................................................................................................................ ..................................................... 10 OPERACIONES DE ACABADO ......................................................... ........................................................................................ ............................... 10 DISEÑO DE PARTES DE METAL EN POLVO ............................................................... 11 PRODUCCIÓN DE LOS POLVOS METÁLICOS ............................................................ 12 Modelo de desarrollo del proceso de tratamiento de sinterizado ..................................... 13 DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS ......................................................... 13 Materiales ............................................................. .............................................................................................................................. ................................................................. 17 DESCRIPCIÒN DEL PROCEDIMIENTO ................................................................... ......................................................................... ...... 18 DATOS RECOGIDOS EN EL LABORATORIO ........................................................... 19 CALCULOS Y RESULTADOS ................................................................... ....................................................................................... .................... 20 CUESTIONARIO: ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 22 CONCLUSIONES ............................................................................................................. ............................................................................................................ 28 Bibliografía ................................................................................................................................. ................................................................................................................................ 28
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INTRODUCCIÓN El uso de los metales en polvos se remonta a varios centenares de años atrás. Pero fue apenas en el siglo pasado que, debido a avances tecnológicos de la segunda guerra mundial, la industria de la pulvimetalurgia se creó como tal. Desde entonces y gracias a sus continuos avances y la calidad y utilidad de sus productos ha crecido más rápidamente que cualquier otro proceso de manufactura de piezas metálicas.
La 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.
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FUNDAMENTO TEÓRICO Pulvimetalurgia La pulvimetalurgia es un proceso de conformación metálica, como la forja, o el moldeo, Esta técnica presenta un control dimensional muy exacto. La pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos metálicos hasta las piezas acabadas, es decir, producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabado. Su competidor más directo es el moldeo de precisión o moldeo a la cera perdida. La industria pulvimetalúrgica se basa en la producción de grandes series en las cuales el costo del mecanizado influye decisivamente en el costo del producto sinterizado. PROCESO
El proceso de pulvimetalurgia, consiste en prensar polvos metálicos para darles forma determinada; el prensado se hace con prensas similares a las de los procesos normales de formado con matrices más complejas y los materiales en polvo se deben someter a tratamiento térmico en un horno para sinterizarlos. La primera aplicación en la industria moderna fue la formación de alambres con materiales en polvo que eran muy duros para trabajarlos o fundirlos. La metalurgia de polvos es muy usada para formar una gran cantidad de piezas pequeñas, en este proceso es factible fabricar o trabajar ciertos materiales que por otros medios es casi imposible. Los puntos de fusión de los metales refractarios como el Tungsteno (3000º C), el Titanio (2996°C) ) y el Molibdeno (2620°C) son muy difíciles de trabajar. Otras sustancias como el Zirconio (1900º C) reaccionan intensamente con los medios ambientales cuando se funden. La metalurgia de polvos es una forma práctica para refinar y fabricar piezas de estos metales, también es el único método factible de consolidar y formar los materiales separados para herramientas, como los carburos cementados y los óxidos sinterizados. Las combinaciones de los metales y no metales que no son obtenibles en forma económica, por aleación es posible gracias al proceso de metalurgia de polvos, esto es de valor particular en la industria eléctrica, como en los imanes y en las escobillas de motor donde los puntos de contacto deben tener conductividad apropiada para ser resistentes al desgaste y al aire. Las escobillas se hacen de polvo de cobre, grafito y algunas veces estaño, y para los puntos de contacto se requieren combinaciones como Tungsteno, cobre o plata. CERMETS
La metalurgia de polvos hace posible una clase de materiales conocidos como CERMETS, o combinación de metales y cerámicos, con la resistencia de los metales o aleaciones y la resistencia a la abrasión y al calor de los compuestos metálicos. Los CERMETS tienen diferentes aplicaciones como en aparatos químicos resistentes a la corrosión, equipo para energía nuclear, bombas para servicios 4
severos y sistemas para manipular combustible de cohetes. Este proceso abarca la preparación de los polvos y su conformación por prensado en caliente en artículos útiles. En forma básica un polvo de metal se compacta en forma deseada y se calienta para reforzar el compacto por sinterizado. POLVOS DE METAL
Las composiciones más usadas son los polvos en base de cobre o de hierro, latón y acero para partes estructurales, bronce para cojinetes. Otros de importancia aunque en cantidades menores son acero inoxidable, aluminio, titanio, níquel, estaño, tungsteno, cobre, zirconio, grafito y óxidos metálicos y carburos. Se usan polvos de metal puro para ciertas partes y aleaciones para otras. Estas últimas pueden obtenerse aleando un metal antes del pulverizado y por el mezclado de polvos de los ingredientes deseados. Las principales características de los polvos metálicos son la forma, el tamaño y la distribución de las partículas, la pureza, la estructura del grano, la densidad, la velocidad de flujo y la compresibilidad. La mayoría de los polvos de metal se obtienen por reducción de mineral refinado, de escoria de laminación u óxidos preparados por monóxido de carbono o hidrógeno, los granos tienden a ser porosos. Los metales pueden atomizarse en una corriente de aire, vapor o gas inerte. Algunos pueden fundirse por separado e inyectarse a través de un orificio en la corriente. Otros como el hierro, y el acero inoxidable, pueden fundirse en un horno eléctrico (como aspersión del metal).En condiciones controladas el polvo de metal puede depositarse electrolíticamente. Se calienta para recocerlo y expulsar el hidrógeno, se selecciona y se mezcla. Los polvos electrodepositados se encuentran entre los de más pureza y tienen características dendríticas. La molienda en los molinos de bolas, martillos, trituradores, es un medio para producir polvos casi de cualquier grado de finura a partir de metales frágiles o metales maleables. Los granos de carburo de tungsteno se pulverizan en esta forma, algunos metales maleables se muelen con un lubricante en hojuelas y son usados para pinturas y pigmentos. Puede hacerse que el níquel o el hierro reaccionen con monóxido de carbono para formar carbonilos metálicos como el NICOLA. Estos se descomponen en polvos finos de metal de alta pureza, de grano uniforme y en partícula redondas.
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FABRICACIÓN DE POLVOS METÁLICOS
Perdigonado: es el proceso de dejar caer al agua, partículas fundidas, desde una abertura pequeña pasando a través de aire o de un gas inerte.Otros métodos usados de hacer polvos de metal, incluyen el maquinado.
Atomizado
PROCESOS DE FABRICACIÓN Las operaciones básicas de compactar y calentar pueden combinarse en diversas formas en los procesos para la fabricación de polvos de metal. Además las operaciones de compresión y sinterizado son variadas y se controlan para adecuarse a muchas condiciones.
COMPRESIÓN
El efecto de la presión en el metal en polvo es comprimir las partículas para colocarlas en su lugar, iniciar enlaces interatómicos e incrementar la densidad de la misma. En forma teórica si un polvo se comprime lo suficiente, alcanzará el 100% de la densidad y resistencia del metal padre, cuando menos al ser sinterizado. La mayoría de las partes se comprimen en frío, a veces pueden comprimirse o forjarse subsecuentemente. La compresión en caliente produce la mayor exactitud. La forma de la partícula adecuada, el tamaño, la 6
distribución del tamaño, la selección cuidadosa y la mezcla son necesarios para obtener una parte comprimida satisfactoria. Las mejores ligas se obtienen entre partículas abruptas, pero las partículas redondas fluyen mejor en el molde y bajo presión. La forma en que el polvo llena el dado determina la velocidad de operación. El metal en polvo se comprime en una cavidad o dado para tomar la forma de la parte mediante uno o más punzones. La calidad depende de empacar con uniformidad el material. El material en polvo no fluye con facilidad en las esquinas y los recesos como los fluidos. La fricción es alta entre las partículas y las paredes del dado. Por tanto, un solo punzón no puede compactar a densidad uniforme cualquier parte, sino solo las más simples. Las partes que en particular tienen escalones, paredes delgadas, bridas, etc., deben comprimirse con dos o más punzones para distribuir uniformemente la presión a través de las secciones. Las partes más complejas pueden requerir hasta dos movimientos superiores y tres o cuatro movimientos inferiores del punzón e incluso ciertos movimientos laterales al corazón se suministran por la prensa. La compresión de polvos normalmente se hace en prensas diseñadas específicamente para tal propósito. Se evalúa una de dichas prensas por la fuerza que puede suministrar y por la máxima profundidad de la cámara de dado que puede acomodar. La medición de la fuerza determina el área de la sección transversal de la parte más grande que puede sujetarse a una presión dada. La profundidad de la cámara del dado, llamada lleno de dado, determina que tan profundo puede ser el llenado de polvo en un dado. Esto limita la longitud de la parte comprimida a razón de la profundidad de polvo respecto a la longitud de la parte compactada de 2:1 a 3:1 para el hierro y el cobre y hasta de 8:1 para algunos materiales.
Máquina para inyección de polvos
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Prensado de los polvos
OTROS MÉTODOS DE COMPACTACIÓN El metal en polvo puede colarse, deslizándolo en moldes. El polvo se dispersa en un líquido que contiene químicos para mojar las partículas y ayudar a distribuirlas en la masa del molde. El molde puede ser poroso para absorber líquido libre y puede vibrarse para densificar el compacto. Las partes coladas por deslizamiento se sinterizan después para que tengan resistencia adecuada. Se usan agregados de fibra para la absorción del sonido y de la vibración o como refuerzo para los plásticos y metales. El costo del molde es bajo y es económico para partes que son complejas o en pequeñas cantidades. Un método para polvos pesados, como el carburo de tungsteno, es la compactación centrífuga. El polvo se hace girar en un molde y se empaca con uniformidad y a presiones hasta de 3 Mpa(400 psi) en cada partícula. El metal en polvo también se moldea por inyección, el lodo del polvo en agua o mezclado con un material termoplástico se inyecta en un dado, el aglutinante se remueve en el sinterizado. Se compactan cintas continuas y varillas laminando piezas de cobre, latón, bronce, monel, níquel, titanio, acero inoxidable o fibras. Una forma de aplicar la presión para obtener una densidad uniforme es encerrar el polvo en un molde con forma de plástico o hule con la forma deseada y sumergirlo en un gas o líquido en una cámara bajo presión de 70 a 700 Mpa. Pueden elaborarse partes complicadas asimétricas y grandes con más facilidad que con otros métodos, los dados de metal no son necesarios. El polvo de metal, en contenedores de metal o cerámica y las preformas, se sujetan a presiones de gas tan altas como 350 Mpa(50.000 psi) a temperaturas hasta 2200ºC en la compresión isostática caliente. Se ha encontrado que esto es efectivo para metales refractarios, cerámicas, cermets y polvos esféricos que no responden a la compresión en frío. Los polvos de acero inoxidable,
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uranio y zirconio se sellan en latas y se compactan al ser extruídos a través de dados mientras están protegidos de la contaminación. Los tubos largos pueden compactarse magnéticamente, el metal en polvo se vierte rodeando un mandril dentro de un conductor coaxial, se pulsa una corriente de 1 MA a través de conductores y se establece el campo magnético que oprime el conductor interno contra el compacto. SINTERIZADO
El sinterizado refuerza los enlaces entre las partículas formando un compacto de metal en polvo. En todos los casos esto ocurre debido a que los átomos de las partículas en contacto se entremezclan, los constituyentes del compacto pueden o no fundirse. Si existe un solo constituyente como en el sinterizado del polvo de hierro, se presenta una sola fase continua. En compactos de dos o más metales diferentes, se forman fases de compuestos intermedios en los puntos de liga de las partículas. Con el sinterizado, las áreas ligadas crecen y el material llena los vacíos entre las partículas. Se ha comprobado que la difusión y el movimiento de los átomos en las superficies de las partículas son las actividades principales en las etapas iniciales del sinterizado. La tensión superficial es la fuerza que impulsa a reducir el área de la superficie, redondeando y suavizando las irregularidades superficiales. El sinterizado por chispa se hace colocando polvo suelto en un dado, se pasa una corriente intensa a través de él y se aplica a presión al mismo tiempo. Una corriente inicial limpia la capa de óxido de las partículas de polvo, para facilitar la unión de las superficies, una corriente calienta la masa bajo presión, éste proceso se ha desarrollado en la industria aeroespacial para la elaboración de muchas de sus partes. IMPREGNACIÓN
Los cojinetes de polvo metálico se pueden impregnar con aceite, grafito, cera u otros lubricantes, se obtiene un cojinete sellado, libre de mantenimiento, con el lubricante ya integrado, no se necesita lubricación desde el exterior. Estos productos se aplican en bujes, bombas de agua, alternadores, motores de arranque y equipo similar. Las partes de metales en polvo y todas las clases de colados como monobloques de motor, cajas de engranajes, cuerpos de bomba y muchos más se impregnan para sellar los poros y evitar fugas en servicio. Esto se hace con silicato de sodio, resinas poliéster o polímeros anaeróbicos. INFILTRACIÓN
La infiltración consiste en reforzar el producto de polvo y hacerlo más denso al colocar una pieza metálica sólida sobre la pieza formada con polvo y sinterizada para luego volver a sinterizar ambas piezas. La segunda pieza se 9
funde y la absorbe el objeto poroso hecho con el polvo. Este proceso imparte cualidades de tenacidad, durabilidad, resistencia y densidad al producto hecho con polvo metálico. Polvo de hierro-cobre. La infiltración aumenta la resistencia de 70% a 100%. Las partes de hierro pueden tener carbono agregado a la mezcla original o carburizarse después del sinterizado, luego el tratamiento térmico de temple y revenido.
TRATAMIENTO TÉRMICO Los productos de polvos metálicos se pueden someter a tratamiento térmico por los métodos convencionales para mejorar la dureza, tenacidad y otras propiedades metalúrgicas deseables, el período de calentamiento debe ser más largo que para piezas similares de material macizo, pero el enfriamiento debe ser más rápido, debe evitarse la oxidación por medio de atmósferas protectoras. La oxidación puede disminuir la resistencia y producir puntos débiles e impurezas en el objeto. Los problemas con la oxidación son más serios con los metales en polvo que con los macizos.
ELECTRODEPOSICIÓN Se pueden electrodepositar la mayoría de los metales en los productos de metal en polvo, como cobre, oro, plata, cromo y otros. La porosidad de las piezas de metal en polvo presentan algunos problemas que no se encuentran en los metales macizos, estas piezas se suelen impregnar con sustancias resinosas o plásticas para evitar la absorción de la solución electrolítica. Los objetos de polvos metálicos se pueden trabajar con operaciones similares al punzonado y acuñado, se calientan después, para aumentar su dureza y tener más uniformidad en la estructura y densidad de los granos.
MAQUINADO El maquinado suele hacerse con métodos convencionales, que no requieren adaptaciones al herramental o a las máquinas, no se usan aceites para corte, debido a la porosidad de los objetos, como no se tiene enfriamiento, se genera un intenso calor durante el maquinado, que disminuirá la duración de las herramientas de corte. En algunas situaciones en las cuales se necesita utilizar lubricantes, se emplean líquidos volátiles y disolventes, los cuales se evaporan con rapidez y no dejan manchas ni residuos.
OPERACIONES DE ACABADO Estas imparten propiedades o características específicas a las partes de metal: la infiltración, tratamiento térmico, impregnación y maquinado. Las partes de metal en polvo pueden volverse a comprimir después del sinterizado. Esto se denomina dimensionado si se hace para mantener dimensiones y acuñado para aumentar la densidad. La recompresión puede hacerse en prensas compactadoras o en prensas ordinarias.
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Las partes de precisión hechas a partir de los polvos, como engranajes, tiene que determinarse el tamaño para incrementar su precisión y su densidad .
DISEÑO DE PARTES DE METAL EN POLVO Deben observarse varias reglas para diseñar partes en forma apropiada y mantener las partes tan pequeñas como sea posible. Las formas más fáciles de comprimir son los cilindros, cuadrados y rectángulos. Son mejores las piezas planas. Los pasos agregan dificultad para obtener la homogeneidad. Deben evitarse aristas y esquinas agudas, filos delgados y ranuras profundas ya que debilitan las herramientas, las preformas y las partes terminadas. Una parte no debe tener contrasalidas que eviten que se saquen del dado cuando se compactan. Las paredes que son muy delgadas se vuelven difíciles de llenar, la longitud de una parte no debe exceder de dos a tres veces su diámetro. Se deben evitar esquinas agudas en los ensanchamientos. Se deben tener un radio de curvatura en los cambios de sección. Las secciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre sí porque tienen diferente expansión con el calor y causan grietas. Las paredes que son muy delgadas se vuelven difíciles de llenar. La longitud de una parte no debe exceder de dos a tres veces su diámetro. Las secciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre sí porque tienen diferente expansión con el calor y causan grietas. Las tolerancias más prácticas son de más o menos 20 um/ cm para diámetros y más o menos 30 um/ cm a lo largo. Los polvos metálicos no llenan bien los dados que tienen bordes agudos. Deben preferirse diseños con aristas redondeadas.
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PRODUCCIÓN DE LOS POLVOS METÁLICOS Existen tres procesos principales para producir el metal base y luego reducirlo a polvo. Normalmente los polvos se hacen con metales que se han procesado en forma específica para pulverizarlo. Algunos metales destinados a la pulverización se producen con electrólisis, incluyen hierro, plata, tantalio y cobre. Algunas aleaciones de hierro, níquel, cobalto, molibdeno y tungsteno tiene un alto contenido de impurezas y se producen por reducción del metal en un horno. El tratamiento en horno, debido a los gases y la oxidación, suele dejar mayor cantidad de impurezas que en los metales producidos por electrólisis o en hornos de inducción.
Trituración de polvos La acción del molino de bolas se ilustra como una molienda continua que se realiza al girar el tambor.
El laminado de polvos puede producir tirasde metales difíciles de trabajar, refractarios oreactivos.
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Modelo de desarrollo del proceso de tratamiento de sinterizado DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS Maquina medidora de esfuerzo Tracción
Esquema de la máquina universal AMSLER para ensayos de tracción, compresión,
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
flexión
y
Puente de trabajo. Tirantes de unión. Cilindro operador. Puente fijo. Columna. Puente de tracción. Bancada. Émbolo. Apoyos para la prueba de flexión.
doblado
de
diversos
materiales
10. Hilo. 11. Varilla del péndulo. 12. Contrapeso. 13. Palanca del dinamómetro. 14. Tirante. 15. Émbolo de accionamiento del dinamómetro. 16. Cilindro del dinamómetro
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Vernier
El nonio o vernier es una segunda escala auxiliar que tienen algunos instrumentos de medición, que permite apreciar una medición con mayor precisión al complementar las divisiones de la regla o escala principal del instrumento de medida.
Lijas de diversas medidas
Se utilizó agua normal de caño con un chorro sin mucha intensidad, cuyo propósito era impedir el calentamiento de la probeta ya que si no se aplicaba este, se podría alterar la estructura de la superficie, modificando así los resultados. Las lijas usadas en la experiencia fueron de 180, 360, 600, 800, 1000 y 1200. El tamaño de las lijas estaba hecha por la división de una pulgada entre sus respectivos números ósea mientras mayor era el número de la lija más fina era esta. Pulidor mecánico:
El pulidor se encuentra conformado de una plataforma giratoria en forma circular sobre el cual está colocado un determinado paño de tela, la probeta se colocaba por encima de esta superficie de manera que lo roce con la intención que esta sea pulida, se usó como polvo abrasivo la alúmina que es en realidad el que le da el pulido final. También se le agrega un poco de agua, con el objeto de mantener frio el pulidor y evitar de esta manera que se caliente la probeta, lo cual alteraría su estructura interna. 14
La alúmina:
La alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el componente más importante en la constitución de las arcillas y los barnices, confiriéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración. El óxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón y de esmeril. Tiene la particularidad de ser más duro que el aluminio (el punto de fusión de la alúmina es mayor que el del aluminio). Siguiente el proceso más usual para la obtención de alumina, se logra un tamaño medio de las partículas de 0,5 micras y de dureza de 9 en la escala de Mohs. Físicamente en este tipo de alumina sus partículas son esferoidales y pierden fácilmente sus aristas y vértices cortantes durante el uso del pulidor porque se redondean.
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Microscopio Metalográfico:
El microscopio utilizado era de la marca Carl Zeiss Jena, este nos permitió observar las diversas probetas. Su operatividad era bastante sencilla, ya que solo se giraba un eje para acercarse o alejarse. Este microscopio también nos permite observar la microestructura del material que estamos observando.
Nital, alcohol, algodón y secadora
En la experiencia usamos el NITAL para todas las probetas atacadas aunque su uso es principalmente para la gran mayoría de los metales ferrosos. El tiempo de aplicación fue de 3 a 5 segundos. Después se limpiaba con algodón con alcohol para luego secar completamente el material con secadora.
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Molde de acero
Para la compactación de los polvos, serán necesarios moldes para darle forma a los polvos en el momento de la compactación.
Materiales Cobre electrolitico
Grafito
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DESCRIPCIÒN DEL PROCEDIMIENTO
Se mezcla el cobre con el grafito en proporciones de peso del 96% y 4% junto con 2 a 3 gotas de aceite como glutinante.
Se realiza la compactación de los polvos en moldes de acero templado por medio de la maquina universal AMSLER a cargas de 4 y 3,5 y 2,5 toneladas para cada probeta.
Se procede a la sinterización de las 3 probetas a 800ºC a iguales condiciones.
Se realiza el lijado de las 3 piezas removiendo los óxidos formados en la sinterizacion listas para medir sus masas y sus dimensiones.
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Se realiza el lijado y pulido para tomar fotografías antes del ataque químico.
A continuación se hizo el ataque quimico de cada una de las probetas para ver su estructura interna.
Finalmente se miden las durezas en escala Rockwell “H”
DATOS RECOGIDOS EN EL LABORATORIO
Antes del sinterizado Masa: 10,4 g Probeta 1 2 3
altura(mm) diametro(mm) Densidades(g/cm3) 10.33 13.9 6.6346 10.92 13.8 6.3674 11.8 13.9 5.8081
Después del sinterizado Probeta 1 2
Peso total (g) 9.9252 9.9047
Peso hoja (g) 0.4379 0.4383
Peso neto (g) 9.4873 9.4664 19
3
9.8705
Probeta
0.4361
9.4344
1
Longitud (mm) 9.84
Diámetro (mm) 13.55
2
10.38
13.44
3
11.14
13.26
Probeta
Dureza HRH
1 2 3
42 26 65
Carga de compactación 4 ton 3.5 ton 2.5 ton
CALCULOS Y RESULTADOS
Dureza vs Carga 70 60 ) 50 H R H40 ( a z e 30 r u D
20 10 0 2000
2500
3000
3500
4000
4500
Carga (Kgf)
20
1era Prob eta
Sin ataque
y
con ataque
2da Probeta
Sin ataque
y
con ataque
21
3ra Probeta
Sin ataque
y
con ataque
CUESTIONARIO: ¿Qué métodos existen para obtener cobre en polvo para sus aplicaciones en metalurgia de polvos?
Existen 4 métodos importantes usados actualmente para obtener el polvo de cobre usado en la metalurgia de polvos: atomizado, electrólisis, hidrometalurgia y reducción del estado sólido.
Atomizado: Consiste en fundir el cobre para golpearlo posteriormente con un chorro de gas o líquido, usualmente agua, para dividirlo en partículas que solidificarán rápidamente. La forma y el tamaño de las partículas es influenciada por la naturaleza del medio atomizante y por la presencia de elementos desoxidantes, como el fósforo, aunque en esta etapa del proceso, la forma del cobre granulado no es importante. Luego se oxida el granulado para modificar drásticamente la forma del grano, que puede variar desde una estructura esponjosa y porosa, hasta una totalmente sólida. En la práctica, la oxidación se da en aire a una temperatura de 650ºC. Posteriormente, se muele el granulado, que tiene aproximadamente entre 0.5 y 0.1 milímetros de diámetro, para reducirlos a un polvo irregular de aproximadamente 50-100 micras de longitud. Después de la molienda, se reduce el polvo en una atmosfera de hidrógeno, amoniaco disociado, monóxido de carbono u otro gas. Los más 22
usados son, sin embargo, hidrógeno y monóxido de carbono, siendo el hidrógeno preferido sobre el monóxido de carbono a bajas temperaturas, mientras que a altas temperaturas se usa cualquier mezcla que involucre a uno de los gases. El proceso de reducción es el más importante pues regula la porosidad de la partícula, el tamaño de los poros y distribución de tamaño del polvo, y la temperatura de reducción regula la porosidad interna; altas temperaturas resultan en una porosidad interna fina, una superficie específica grande y una reducción generalmente completa, bajas temperaturas resultan en una porosidad interna gruesa y una superficie especifica pequeña. Tras la reducción, el cobre esta como una plancha porosa. Se le hace pasar por un triturador de mandíbula y luego se le hace pasar por muelas hasta finalmente hacerlo polvo. Este método tiene por características un endurecimiento moderado y buena compresibilidad y dureza Green. A las piezas acabadas usualmente se les cubre con antioxidantes para evitar que se oxiden, pues reduce sus propiedades fuertemente. En resumen, el atomizado es un proceso versátil que puede cubrir la mayoría de polvos requeridos por la mayoría de los rubros de cualquier industria.
Electrólisis: En este proceso se aplican los mismos conceptos que en el electro refinamiento del cobre, solo que en lugar de obtener una capa solida de cobre, lo que se desea es un depósito esponjoso o pulverulento. La formación de estos depósitos en el cátodo se realiza mediante una concentración baja de cobre en el electrolito, alta concentración de ácido y una alta densidad de corriente en el cátodo, aunque para la obtención de polvos que cumplan los requerimientos comerciales hay que cumplir otras condiciones. La composición del electrolito, así como las condiciones de operación (densidad de corriente y temperatura) determinan la eficiencia del proceso, mientras que el método de remoción del polvo, que usualmente es la extracción mecánica por medio de cepillado, es el que determina el tamaño de las partículas. 23
Después de terminar la electrólisis, se drenan los tanques y se deben de lavar las partículas, pues de lo contrario las propiedades físicas se deterioran considerablemente. Para lavar el polvo se pueden usar surfactantes, porque lo protegen de la oxidación, al igual que una capa acuosa de gelatina. Tras el lavado del polvo, se le pasa a través de un horno que está entre 480ºC y 760ºC -diferentes temperaturas generan diferentes dimensiones y propiedades- para secarlo y posteriormente llevarlo a la molienda.
Hidrometalurgia: Consiste en preparar un líquido gestante o hacer una lixiviación a partir de cobre en bruto, o materiales adecuados que contengan cobre, para luego hacer una posterior precipitación del material. Para el cobre específicamente, se usan los procesos de cementación, reacción con hidrógeno o dióxido de azufre y electrólisis. En la etapa de lixiviación, se forma parcialmente sulfato de cobre junto con otros compuestos ácidos. La formación de ácidos es importante porque promueve la oxidación y lixiviación de los minerales de cobre, y previene la hidrólisis de las sales ferrosas. El proceso de cementación consiste en agregar un metal menos noble, (o más reactivo) que el que se quiere precipitar, en el caso del cobre se añade chatarra de hierro y luego se separa, lava, reduce y se pulveriza, dejando como resultado un polvo de cobre que contiene hierro y sustancias insolubles como alúmina y sílice. El proceso de reducción con hidrógeno se puede realizar con varias soluciones, ácido sulfúrico, carbonato amónico de amonio entre otros, se han usado para producir cobre en polvo. Lixiviación de cobre cementado con ácido sulfúrico se ha realizado para obtener cobre casi al 100% de pureza.
Reducción: del estado sólido: Consiste en moler óxidos de cobre hasta un tamaño de partículas de control que varían según el tamaño de grano deseado, y posteriormente se le reduce con un gas, que comúnmente es monóxido de carbono, gas de hidrógeno o gas natural craqueado, en una atmósfera de temperatura menor a la temperatura de fusión del cobre. 24
El tamaño y forma de las partículas se puede controlar en cierta medida, controlando el tamaño y forma de los óxidos de cobre, la temperatura de reducción, y la presión y el flujo del gas. El polvo resultante se muele, se clasifica y se licúa hasta tener las especificaciones deseadas. La pureza del polvo depende principalmente del óxido, pues en este proceso no se da ningún tipo de refinamiento. Usualmente los polvos producidos de esta manera, aparecen porosos con altas densidades aparentes y durezas Green. ¿Qué aplicaciones tiene la metalurgia de polvos de aleaciones a base de cobre?
- Preparación de metales pesados o pseudoaleaciones con un contenido 85-95% de wolframio, 3-10% de níquel y 2-5% de cobre. Estos materiales se caracterizan por tener una altísima densidad y se utilizan para la fabricación da giróscopos, pantallas para rayos x y rayos gamma, apantallamiento de centrales nucleares, etc. - Una de sus aplicaciones consisten en la elaboración de las escobillas de motor, donde los puntos de contacto deben tener conductividad apropiada para ser resistentes al desgaste y al aire.
- Otra aplicación es para la elaboración de bocinas de cobre grafitado. 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?
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Como se puede observar en la figura, a medida de que la porosidad disminuye y la densidad aumenta, la resistencia mecánica se hace mayor y la elongación aumenta. Y esto debido a que existe mayor superficie de contacto entre las partículas (aumenta el grado de cohesión), mejorando asi la resistencia a la tracción.
La siguiente figura muestra las propiedades del cobre sinterizado, entre otros, para una compresión uniaxial. Para las condiciones de la compresión aplicada, qué porcentaje de la densidad se esperaba obtener en caso de haber tenido polvos de composición 100% de cobre.
Para la primera Probeta con carga de 4000 Kg (39240N) y el diámetro de la probeta es de 13,55mm (0.01355m) El área =1.442x10 -4 m2. Haciendo los cálculos, la presión aplicada fue de 272,12205 MPa aproximadamente. Por el grafico el porcentaje de densidad del cobre seria 75%.
Para la segunda Probeta con carga de 3500 Kg (34335N) y el diámetro de la probeta es de 13,44mm (0.01344m) El área =1.398x10-4 m2. Haciendo los cálculos, la presión aplicada fue de 245,6008 MPa aproximadamente. Por el grafico el porcentaje de densidad del cobre seria 73%.
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Para la tercera Probeta con carga de 2500 Kg (24525N) y el diámetro de la probeta es de 13,26mm (0.01326m) El área =1.3809x10-4 m2. Haciendo los cálculos, la presión aplicada fue de 177,60156 MPa aproximadamente. Por el grafico el porcentaje de densidad del cobre seria 70,3%.
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CONCLUSIONES
El proceso de sinterizado se busca formación de micro soldaduras entre material base.
El efecto de la presión aplicada en la compactación de los polvos es aumentar la densidad y por lo tanto variar la propiedad de dureza del material.
Existe pérdidas de material a causa de oxidaciones en el sinterizado pero estas pérdidas son mínimas por ser localizadas de manera superficial y no en todo el material.
Se podrán realizar piezas las cuales no impliquen que el material se distribuya lateralmente(en forma perpendicular a la dirección de la carga)
Bibliografía
http://www.utp.edu.co/~publio17/temas_pdf/pulvimet.pdf
http://kambry.es/Apuntes%20Web/Pulvimetalurgia.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Pulvimetalurgia
http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Powder_metallurgy
Tratamientos termicos de los metales – Pere Molera Sola
Volumen 7, Powder Metal Technologies and Applications ASM, International.
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