Es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen piezas a partir de polvos metálicos. Consiste en una mezcla mecánica de uno o mas polvos, los polvos se comprimen para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión de partículas en una masa dura y rígida similar a las obtenidas mediante fundición. La compresión, llamada , se realiza en una máquina tipo prensa cuyas herramientas consisten generalmente en un troquel y uno o más punzones. El tratamiento térmico, llamado , se realiza a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal principal.
•
•
• •
• •
• •
• •
=
=
−
RA =
ó ó í
Factor de empaquetamiento:
es la densidad volumétrica dividida entre la densidad real Porosidad: es la razón del volumen de los poros (espacios vacíos) en el polvo respecto al volumen volumétrico Porosidad + factor de empaquetamiento = 1.0
La atomización implica la conversión de un metal fundido en un rocío de pequeñas gotas que se solidifican formando polvos.
C)
°
Reducción química
Electrólisis
PRENSADO CONVENCIONAL Y SINTERIZADO
SECUENCIA CONVENCIONAL DE LA METALURGIA DE POLVOS
1) COMBINACIÓN Y MEZCLADO DE LOS POLVOS
2) COMPACTACIÓN, EN LA CUAL SE PRENSAN LOS POLVOS PARA OBTENER LA FORMA DESEADA.
3) SINTERIZADO.
Combinación y mezclado de polvos
La combinación se refiere al intermezclado de polvos de la misma composición química, pero posiblemente con diferentes tamaños de partícula.
¿Por qué se usan diferentes tamaños de partículas?
R//: Los tamaños diferentes de partículas se combinan frecuentemente para reducir la porosidad. El mezclado se refiere a la mezcla de polvos de distinta composición química
MEDIOS MECÁNICOS PARA EL MEZCLADO Y LA COMBINACIÓN
a) por rotación en tambor b) por rotación en un recipiente de cono doble c ) por agitación en un mezclador de tornillo d ) por agitación en un mezclador de paletas.
LOS MEJORES RESULTADOS SE OBTIENEN CUANDO SE LLENAN ENTRE 20% Y 40% DE SU
ADITIVOS
Lubricantes : reducen la fricción entre las partículas y en las paredes del
troquel durante la compactación.
Aglutinantes: se usan para lograr una resistencia adecuada en las piezas
prensadas pero no sinterizadas.
Desfloculantes: que inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus
características de flujo durante el procesamiento subsecuente.
COMPACTACIÓN
COMPACTADO FRESCO:
Se le llama a la pieza de trabajo después de haberle realizado el proceso de prensado.
El termino FRESCO quiere decir que la pieza no esta completamente procesada
DENSIDAD FRESCA:
Es la densidad de la pieza prensada, èsta es mucho mas grande que la densidad volumétrica inicial.
RESISTENCIA FRESCA DE LA PIEZA
La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un rempaquetamiento de los polvos en un arreglo más eficiente.
Se reduce el espacio de los poros y se incrementa el número de puntos de contacto entre las partículas.
El área de contacto interparticular aumenta y entran en contacto partículas adicionales.
Sinterizado
Después del prensado, el compactado fresco carece de fuerza y resistencia: se desmorona fácilmente al menor esfuerzo.
El sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se ejecuta sobre el compactado para unir sus partículas metálicas, incrementando de esta manera su fuerza y resistencia.
El tratamiento se lleva a cabo generalmente a temperaturas entre 0.7 y 0.9 del punto de fusión del metal.
Bajo la influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de las uniones entre las partículas
ELEMENTALES: consisten en un metal puro y se usan en aplicaciones donde la alta pureza es importante.
Por ejemplo, el hierro puro puede usarse donde importan sus propiedades magnéticas. Los polvos elementales más comunes son de hierro, de aluminio y de cobre. Los polvos elementales se mezclan también con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales que son difíciles de formular por métodos convencionales. PREALEADOS: cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Los polvos
prealeados se usan cuando la aleación no puede formularse mediante la mezcla de polvos elementales; el acero inoxidable es un ejemplo importante. Los polvos prealeados más comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad. los componentes comúnmente fabricados mediante metalurgia de polvos son engranes, rodamientos, catarinas, sujetadores, contactos eléctricos , herramientas de corte y varias piezas de maquinaria.
PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS Y CERMETS
PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS TRADICIONALES
Procesos de formado
Preparación de las materias primas
Acabado
Cocimiento (sinterizado)
Preparación de las materias primas
PULVERIZACIÓN Las técnicas para reducir el tamaño de las partículas en el procesamiento de las cerámicas aportan varias formas de energía mecánica, como impacto, compresión y Frotamiento. Se trabajan dos tipos generales de operaciones de pulverización: el triturado y la molienda.
TRITURADO El t r i t u r a d o se refiere a la ruptura de grandes trozos provenientes de la mina en tamaños más pequeños para su reducción posterior. Se puede requerir varias etapas (por ejemplo, triturado primario y triturado secundario), y la relación de reducción en cada etapa puede ser del orden de 3 a 6. El triturado de minerales se realiza por compresión contra superficies rígidas o por impacto contra superficies rígidas con movimiento restringido para realizar el triturado existen varios tipos.
trituradores de quijadas, en los cuales una quijada grande se mueve hacia delante y hacia atrás para triturar los terrones contra una superficie dura y rígida.
trituradores giratorios, que usan un cono giratorio para comprimir los trozos contra una superficie dura y rígida.
trituradores de rodillos, en los cuales los trozos de cerámica se aprietan entre tambores rotatorios.
molinos de martillos, que usan martillos rotatorios para golpear el material y romper los trozos.
molienda
La m o l i e n d a, en este contexto, se refiere a la operación de reducir las piezas pequeñas después del triturado a polvos finos. La molienda se realiza por abrasión e impacto del mineral triturado por el libre movimiento de un medio duro y suelto, como bolas, piedras o barras. a)
molino de balines, b) molino de rodillos c ) molienda por impacto.
contiene esferas duras mezcladas con el material a pulverizar, que giran dentro de un recipiente cilíndrico grande. El movimiento arrastra a los balines y el material hacia arriba en la pared del recipiente y los hace caer para realizar la molienda por una combinación de impacto y frotamiento. Estas operaciones frecuentemente añaden agua a la mezcla, de manera que se forme una pasta aguada. m o l i n o d e b a l i n es
molino de rodillos : el material se comprime contra la mesa horizontal del molino mediante rodillos que
giran sobre la superficie de la mesa. Aunque no se muestra claramente en el diagrama, la presión de los rodillos sobre la mesa se regula por resortes mecánicos o medios hidroneumáticos. molienda por impacto: que parece usarse poco, las partículas del material se proyectan contra una
superficie plana dura, ya sea por corriente de aire a alta velocidad o mediante un chorro de una pasta muy fluida a alta velocidad. El impacto fractura las piezas en partículas más pequeñas.
Procesos de formado
los procesos de formado pueden dividirse con base en la co nsistencia de la mezcla: fundición o vaciado deslizante, en la cual la mezcla es ligera con 25 a 40% de agua. formado plástico, en los cuales se forma la arcilla en condición plástica con 15 a 25% de agua. prensado semi-seco, en el cual la arcilla está húmeda (10 a 15% de agua), pero posee baja plasticidad. prensado seco, en el cual la arcilla está básicamente seca, contiene menos de 5% de agua. • • •
•
Fundición o vaciado deslizante
El vaciado deslizante se usa en metalurgia de polvos, pero su aplicación en cerámica es mucho más común. En este método se vacía una suspensión de polvos cerámicos en agua, llamada , dentro de un molde poroso de yeso (CaSO 4 2H2O) donde el agua de la mezcla es p as ta líqu id a absorbida de manera gradual por el yeso y se forma una capa de arcilla firme en la superficie del molde. La composición de la pasta líquida es típicamente de 25 a 40% de agua , y el remanente es arcilla mezclada de manera frecuente con otros ingredientes. Debe ser lo suficientemente fluida para penetrar en los resquicios de la cavidad del molde, pero también es conveniente que el contenido de agua sea bajo para lograr mayores velocidades de producción. –
v a c i ad o d r e n a d o :
es el proceso tradicional, el molde se invierte para drenar el exceso de pasta líquida después de que se ha formado la capa semisólida, dejando así una parte hueca en el molde; éste se abre después y se remueve la parte. La s ecuencia es muy similar a la fundición hueca de metales. Ésta se usa para hacer jarras de té, vasos,
Formado plástico Esta categoría incluye varios métodos manuales y mecanizados. Todos ellos
requieren que la mezcla inicial tenga consistencia plástica, lo cual se logra generalmente con un contenido de agua de 15 a 25%. Para los métodos manuales se usan generalmente arcillas en el límite superior del rango, que constituyen un material más fácil de formar; sin embargo, esto viene acompañado de mayor contracción en el secado. Los métodos mecanizados emplean por lo general mezclas con menor contenido de agua y por tanto la arcilla inicial es más espesa.
El t o r n e a d o l i g e r o es una extensión del método del alfarero, en el cual el modelado a mano se remplaza por técnicas mecanizadas. Se usa para producir grandes cantidades de artículos idénticos, como platos y tazones para uso doméstico. Aunque hay variantes en las herramientas y métodos usados, con diferentes niveles de automatización y refinamiento de los procesos básicos. 1) un pedazo de arcilla húmeda se coloca en un molde convexo. 2) una herramientade formado presiona contra el pedazo para generar la forma inicial aproximada
El pr ens ado plástic o es un proceso de formación en el cual el pedazo de arcilla plástica se prensa entre un molde inferior y otro superior contenidos en un arillo metálico. Los moldes se hacen de un material poroso como yeso; así, al aplicar vacío detrás de los moldes se remueve la humedad de la arcilla. Las secciones del molde se abren entonces, usando presión de aire positiva para prevenir la adherencia de la pieza en el molde. El prensado plástico alcanza producciones más altas que el torneado y no se limita a piezas de simetría radial. La extrusión se usa en el procesamiento cerámico para producir secciones largas de sección transversal uniforme que se cortan a la longitud de pieza requerida. El equipo de extrusión utiliza una acción tipo tornillo que ayuda a mezclar la arcilla y a empujar el material plástico a través de la abertura del troquel. Esta secuencia de producción se usa ampliamente para hacer tabiques huecos, losetas, tubos de drenado, tubería en general y aislantes. Se usa también para hacer pedazos de barro inicial para otros procesos cerámicos, como torneado ligero y prensado plástico.
Prensado semiseco En el prensado semiseco las proporciones de agua en la arcilla inicial
están típicamente en el rango de 10 a 15%. Esta proporción produce una baja plasticidad que impide el uso de métodos de formado plástico, los cuales requieren una arcilla con mayor plasticidad. Los procesos semisecos usan alta presión para superar la baja plasticidad del material y forzado dentro de la cavidad de un troquel, tal como se muestra en la figura 17.7. Con frecuencia se forma rebaba debido al exceso de barro que se introduce entre las secciones del troquel. Prensado seco La diferencia principal entre el prensado semiseco y el prensado seco es el contenido de humedad del material inicial. inicial . El contenido de humedad de la arcilla inicial en el prensado seco está típicamente por debajo de 5%. Generalmente se agregan aglutinantes a la mezcla de polvos para proporcionar suficiente resistencia a la pieza prensada para su manejo subsiguiente. También También se añaden lubricantes para prevenir que la pieza se pegue al dado durante el prensado y la expulsión. Debido a que la arcilla seca no tiene plasticidad y es muy abrasiva, el diseño del troquel y los procedimientos de operación son diferentes al prensado semiseco. Los troqueles se hacen de acero para herramienta endurecido o carburo de tungsteno cementado para reducir el desgaste. Como la arcilla seca no fluye durante el prensado, la forma de la pieza es relativamente simple, por lo que se debe agregar y distribuir en el troquel la cantidad correcta de polvo inicial. No se forman rebabas en el prensado seco y no ocurre contracción de secado, así que el tiempo de secado se elimina, lográndose una buena precisión en las dimensiones del producto final. La secuencia del proceso en el prensado seco es similar a la del prensado semiseco. Los productos típicos incluyen azulejos para baño, aisladores eléctricos y ladrillos refractarios.
Secado
Secado
El proceso de secado se hace más lento. En producción, el secado se realiza de manera usual en cámaras donde se controla la temperatura y la humedad para lograr el programa apropiado de secado. Debe tenerse cuidado de no remover demasiado rápido el agua de la pieza, para evitar que se formen altos gradientes de humedad, haciendo el material más propenso a las grietas. El calentamiento se hace normalmente por una combinación de convección y radiación usando fuentes infrarrojas. Los tiempos típicos de secado van desde 15 minutos para secciones delgadas hasta varios días para secciones muy gruesas.
En la primera etapa, la velocidad de secado es rápida y constante, debido a que el agua de la superficie de la arcilla se evapora en el aire circundante y el agua interior emigra, por acción capilar, hacia la superficie para remplazarla. Durante esta etapa ocurre la contracción, con el riesgo asociado de deformación y agrietamiento debido a las variaciones del secado en diferentes secciones de la pieza. segunda etapa de secado, el contenido de humedad se ha reducido hasta que los granos cerámicos han quedado en contacto, y ocurre poca o ninguna contracción.
Cocimiento (sinterizado)
cocimiento es el proceso de tratamiento térmico que sinteriza al material cerámico y se realiza en un . En el sinterizado se desarrollan uniones entre los granos cerámicos y esto ho rn o cer ám ic o va acompañado de densificación y reducción de porosidad. En el cocimiento de la cerámica tradicional pueden ocurrir ciertas reacciones químicas entre los componentes de la mez cla y formarse también una fase vítrea entre los cristales, la cual actúa como aglutinante. Ambos fenómenos dependen de la composición química del material cerámico y de las temperaturas de cocimiento que se usan. Las piezas de cerámica no glaseadas se cuecen solamente una vez; los productos glaseados se cuecen dos veces. El g l a s e a d o se refiere a la aplicación de un recubrimiento cerámico en la superficie para hacer las piezas más impermeables al agua y mejorar su apariencia . La secuencia de procesamiento usual de los artículos glaseados es: 1) cocimiento de los artículos antes del glaseado para endurecer el cuerpo de la pieza. 2) aplicar el glaseado. 3) cocer la pieza una segunda vez para endurecer el glaseado.
Acabado Las piezas hechas con la nueva cerámica requieren algunas v eces acabado. En general esta operación tiene uno o más de los siguientes propósitos: 1) incrementar la precisión dimensional, 2) mejorar el acabado de la superficie y 3) hacer cambios menores en la forma de la pieza. Las operaciones de acabado involucran generalmente esmerilado y otros procesos abrasivos.Se necesita usar abrasivos de diamante para cortar los materiales cerámicos endurecidos.
Procesos de formado
Preparación de las materias primas
Acabado
Cocimiento (sinterizado)
PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS NUEVAS se basan en compuestos químicos más simples, como óxidos, carburos y nitruros. Estos materiales no poseen la plasticidad y facilidad de formado de las arcillas tradicionales cuando se mezclan con agua. Por consiguiente, los polvos deben combinarse con otros ingredientes para lograr la plasticidad y otras propiedades convenientes durante el formado y aplicar así los métodos convencionales.
La secuencia de manufactura para las nuevas cerámicas se puede resumir en los siguientes pasos: 1) preparación de materiales iniciales, 2) formado, 3) sinterizado y 4) acabado.
Preparación de materiales iniciales
los polvos iniciales deben ser más homogéneos en tamaño y composición, y los tamaños de partícula deben ser menores (la resistencia de los productos cerámicos resultantes es inversamente proporcional al tamaño de los granos). Los métodos mecánicos constan de las mismas operaciones de molienda que se llevan a cabo en el molino de balines utilizado con las cerámicas tradicionales. La dificultad con estos métodos es que las partículas cerámicas se contaminan con el material de los balines y paredes del molino. Esto compromete la pureza de los polvos cerámicos y como resultado aparecen grietas microscópicas que reducen la resistencia del producto final. Se usan dos métodos químicos para lograr mayor homogeneidad en los polvos de los nuevos cerámicos:
, las sales de un producto químico inicial apropiado se disuelven en agua S ec a d o p o r c o n g e l ac i ón y la solución se rocía para formar gotas pequeñas que son rápidamente congeladas. Después, se remueve la humedad de las gotas en una cámara de vacío; la sal resultante secada por congelación se descompone por calentamiento para formar polvos cerámicos. El secado por congelación no es aplicable a todos los cerámicos, debido a que en algunos casos no es posible identificar un material inicial soluble en agua. es otro método de preparación que se usa para las nuevas cerámicas. En el proceso típico, el compuesto cerámico deseado se disuelve a partir del mineral inicial, permitiendo filtrar las impurezas. Entonces se precipita un compuesto intermedio de la solución, que se convierte en el compuesto deseado por calentamiento. p r e c i p i t ac i ón d e u n a s o l u c i ó n
aditivos con los polvos iniciales
• • • • •
: para mejorar la plasticidad y facilidad de trabajo. Plastificantes aglutinantes : para unir las partículas cerámicas en una masa sólida en el producto final. a g e n t es h u m e c t an t e s : para mejorar el mezclado. d e s f l o c u l a n t es : ayudan a prevenir la aglomeración y la unión prematura de los polvos. L u b r i c a n t e s : para reducir la fricción entre los granos cerámicos durante el formado y para reducir la adherencia cuando se retira la pieza del molde.
Formado
Prensado caliente El prensado caliente es similar al prensado seco, excepto porque el proceso se
lleva a cabo a temperaturas elevadas; así el sinterizado del producto se realiza simultáneamente con el prensado. Esto elimina la necesidad de un paso de cocimiento adicional en la secuencia. Se obtienen densidades más altas y granos de tamaño más fino, pero la vida del troquel se reduce por la abrasión de las partículas calientes contra la superficie del troquel. Prensado isostático: Usa presión hidrostática para compactar los polvos cerámicos en todas direcciones,
evitando la falta de uniformidad del producto final, problema que se observa frecuentemente en los métodos de prensado uniaxial tradicional. Moldeo por inyección de polvos PIM: Es el mismo proceso que se usa en metalurgia de polvos excepto porque los polvos son cerámicos en lugar de metálicos. Las partículas cerámicas se mezclan con un polímero termoplástico que actúa como portador y que proporciona las características apropiadas de flujo a las temperaturas de moldeo. La mezcla se calienta y se inyecta en la cavidad de un molde. Cuando el polímero se enfría y endurece, se abre el molde y se retira la pieza. Debido a que las temperaturas que se necesitan para plastificar el portador son mucho más bajas que las requeridas para efectuar el sinterizado del material cerámico, la pieza sigue fresca después del moldeo. Antes del sinterizado se debe remover el aglutinante plástico. Esto se llama d e s a g l o m e r a c i ó n y se realiza generalmente por una combinación de tratamientos térmicos con solventes.
Procesos de bisturí Este proceso se usa para hacer láminas delgadas de material cerámico. Una
aplicación común son las láminas que se usan en la industria electrónica como materiales de sustrato para los circuitos integrados. Una pasta aguada cerámica se introduce en una película portadora móvil como el celofán. El espesor de la cerámica en la película portadora se determina por un limpiador llamado b i s t u r í. Al moverse la pasta por debajo de la línea, se seca formando una cinta cerámica fresca flexible. Al final de la línea se enreda la cinta en un carrete para su procesado posterior. La cinta fresca se puede cortar o procesar antes de cocerse.
Sinterizado
sinterizado todavía es muy necesario para obtener las máximas resistencia y dureza posibles. Las funciones de sinterizado son las mismas que antes: 1) unir los granos individuales en una masa sólida. 2) incrementar la densidad. 3) reducir o eliminar la porosidad. Para sinterizar el material cerámico se usan comúnmente temperaturas de 80 a 90% del punto de fusión. El mecanismo de sinterización es diferente entre las nuevas cerámicas, que se basan predominantemente en un solo compuesto químico (por ejemplo, Al2O3), yblas cerámicas basadas en arcilla, las cuales comprenden a varios compuestos con diferentesbpuntos de fusión. En el caso de las nuevas cerámicas, el mecanismo de sinterizado es la difusión de masa a través de las superficies de contacto de las partículas, probablemente acompañada de algún flujo plástico. Este mecanismo ocasiona que los centros de las partículas se muevan para juntarse más; el efecto se traduce en una densificación del material final. En el sinterizado de cerámicas tradicionales, este mecanismo se complica por la fusión de algunos constituyentes y la formación de una fase glaseada que actúa como aglutinante entre los granos.
Acabado
