UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
PULVIMETALURGIA
Docente: Ing. Humberto Santana Soto Alumno: Sonia Vargas Humire Veronica Gutiérrez Valdivia
Curso: Procesos Mineros y Metalúrgicos Fecha: 17/11/2017
TACNA – PERÚ PERÚ ÍNDICE .................................................................. ............................................ ........................................ .................. 3 INTRODUCCIÓN ............................................
1
ANTECEDENTES ........................................... ................................................................. ............................................ ................................. ........... 4
2
................................................................ ...................... 5 ¿QUÉ ES LA PULVIMETALURGIA? PULVIMETALURGIA? ..........................................
3
PRODUCCIÓN ............................................ ................................................................... ............................................. .................................... .............. 7
4
CARACTERIZACIÓN CARACTERIZACIÓN DE POLVOS .......................................... ................................................................ ......................... .. 7
5
MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE POLVOS .................................... ........................................ .... 15 5.1
ATOMIZACIÓN .......................................... ................................................................ ............................................ ........................... ..... 15
5.1.1
.................................................................... .................................. ........... 15 Atomización por gas .............................................
5.1.2
Atomización por agua .......................................... ................................................................. .................................. ........... 16
5.1.3
Atomización por plasma ......................................... ............................................................... ............................... ......... 16
5.1.4
Otras formas de atomizar ........................................... .................................................................. ........................... .... 17
5.2
ELECTRODEPOSICIÓN. ............................................. .................................................................... ............................... ........ 19
5.3
REACCIÓN QUÍMICA .......................................... ................................................................. ...................................... ............... 19
5.4
MECÁNICOS. .......................................................... ................................................................................ ...................................... ................ 21
6
.................................................................. .......................................... .................... 21 POLVOS ESPECIALES ............................................
7
APLICACIONES DE LA PULVIMETALURGIA (MERCADO E
INDUSTRIAS) .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. ....................... 22
INTRODUCCIÓN Esencialmente, los metales pueden ser preparados sólo de dos maneras para darle forma útil, a saber: fundición o técnicas con polvos llamada Pulvimetalurgia. El atractivo mayor de la Pulvimetalurgia (PM) es la habilidad de fabricar piezas de formas complejas con excelentes tolerancias y de alta calidad con relativamente bajo costo. En resumen, la PM toma polvos metálicos con ciertas características como tamaño, forma y empaquetamiento para luego crear una figura de alta dureza y precisión. Los pasos claves incluyen 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, microestructuras y propiedades. Todo esto crea un nicho único de aplicaciones para la PM, como por ejemplo compuestos resistentes al desgaste 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 PULVIMETALURGIA 1
ANTECEDENTES
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 en polvo. Inicialmente se usó la pulvimetalurgia para obtener piezas de aquellos metales difíciles de fundir industrialmente debido a sus elevados puntos de fusión. La primera aplicación directa de ella parece haber sido en la manufactura de lingotes de platino en el siglo XIX, al mismo tiempo, se fabricaron monedas de polvos de cobre, plata y plomo acuñadas y sinterizadas. En 1855 Towsend empezó a usar las amalgamas dentales (polvo de plata en mercurio). Pero no fue hasta principios del siglo XX que tuvo lugar un desarrollo serio del proceso con la manufacturación de alambre de tungsteno para filamentos de lámparas (Coolidge). En los años 30 se desarrollaron rodamientos porosos de bronce y contactos eléctricos de grafito-cobre. Luego siguieron los materiales de carburos sinterizados para herramientas (por ejemplo, WIDIA: carburo de tungsteno en cobalto), aleaciones estructurales férreas y aleaciones de metales refractarios. 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 ha avanzado igual en el período. La mayoría de las piezas estructurales producidas de polvos son basadas 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 recientemente, la principal razón de seleccionar una ruta de PM ha sido el mejoramiento de la calidad, homogeneidad o propiedades en conjunto de costo atractivo y productividad. Las súper aleaciones de altas temperaturas de níquel, la durez a específica de aleaciones de aluminio para aeronaves y compuestos de aluminio con expansión termal controlada 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 microestructura. 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. Hoy en día este proceso ya no está confinado al tratamiento de materiales muy refractarios o que no pueden obtenerse por otra vía, sino que se ha extendido de manera que incluye la manufactura de aleaciones que pueden producirse también por fundición. Por ejemplo, los imanes ALNICO (Al + Ni + Co) que pueden fabricarse por fusión pero puede producirse una aleación magnéticamente superior empleando metalurgia de polvos. En las piezas fundidas la presencia de porosidad interna puede considerarse como un defecto serio, pero si se obtiene un grado controlado de porosidad este sería de mucha utilidad en productos tales como los cojinetes autolubricados y en filtros, sólo posible con el uso de polvos de tamaño adecuado. Cabe señalar, que el término Pulvimetalurgia se aplica también al procesamiento de materiales cerámicos y compuestos cerámico-metal.
2
TERMINOLOGÍA
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 (sinterizado) para la obtención de la pieza.
Sinterizar: Fabricar objetos mediante el prensado de polvos o materias metálicas o plásticas que previamente han sido calentadas sin llegar a la fusión.
Morfología: Es el estudio de las formas que tienen diferentes cosas. Usualmente, la morfología se utiliza en dos áreas bien diferenciadas: en la biología, para estudiar el cuerpo, la forma de los diferentes organismos vivos y en la lingüística, para estudiar y analizar las palabras, los elementos que las mismas tienen, sus formas y estructuras.
Polvos metálicos: Es un sólido finamente dividido con dimensión menores a 1mm. Su comportamiento es intermedio entre un sólido y un líquido. Son compresibles como los gases, pero su compresión es irreversible.
Atomización: Es un proceso que se utiliza bien para conservar los alimentos o bien como método rápido de secado. El objetivo principal es secar (mediante la utilización de aire caliente) los productos lo más rápidamente posible y utilizando bajas temperaturas.
Electrodeposición: Es un procedimiento electroquímico mediante el cual se logra cubrir una pieza con una fina capa de determinado metal. Para lograrlo se sumerge la pieza a cubrir en una solución electrolítica que contiene los iones del metal que formará la capa.
Compactabilidad: Se define como la capacidad de un material para formar aglomerados coherentes o compactos mecánicamente fuertes después de su compresión.
Compresibilidad: Es la capacidad de los polvos para deformarse o disminuir su volumen cuando se someten a una presión.
Plasticidad: Es una propiedad mecánica de algunas sustancias, capaces de sufrir una deformación irreversible y permanente cuando son s ometidas a una tensión que supera su rango o límite elástico. Cuando se trata de metales, es posible explicar la plasticidad de acuerdo a los movimientos de las dislocaciones que resultan imposibles de revertir.
Fluencia: Se define como el tiempo necesario para que una cantidad fija de polvos fluya a través de un orificio normalizado.
3
¿QUÉ ES LA PULVIMETALURGIA?
La pulvimetalurgia, o metalurgia de polvos, se identifica como una tecnología aplicable principalmente al conformado de metales. De forma general, se puede definir como el proceso de fabricación de componentes metálicos, no metálicos, o mezcla de ambos a partir de polvos de materiales, los cuales se comprimen para reproducir la forma deseada y se calientan, sin superar el punto de fusión, para que se produzca la unión de las partículas. En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza éste, debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la metalurgia de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con cobalto, tungsteno o grafito según para qué va a ser utilizado el material que se fabrica.
Actualmente se fabrican una gran cantidad de componentes mediante este proceso. Si bien los inicios de esta tecnología se remontan a la antigüedad, cuando ya se utilizaban polvos de oro, cobre y óxidos metálicos para uso decorativo, el proceso actual data del siglo XIX, cuando un ingeniero inglés aplicó presión en frío y sinterizó polvo de platino para producir platino dúctil. Las etapas que comprenden el proceso de pulvimetalurgia son:
4
Producción del polvo
Mezclado del polvo y fabricación de la matriz (Mezclado)
Compresión del polvo (Compactado)
Aplicación de calor (Sinterizado)
PRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE POLVOS
La caracterización de un polvo metálico es, quizás, la parte menos desarrollada de la Pulvimetalurgia, a pesar de la gran cantidad de literatura que se ha publicado en este campo. Por ejemplo, muchos métodos para la determinación del tamaño de partícula, son útiles en laboratorio, pero no en producción a gran escala. La importancia de la evaluación de la forma de partícula no está suficientemente comprendida y, además, es difícil encontrar un método preciso para su caracterización. Otras características del polvo, como la fricción, no están todavía suficientemente investigadas. La aplica ción de métodos estadísticos para tratar los problemas de la Pulvimetalurgia dará como resultado una mejor comprensión de la compleja naturaleza de los polvos metálicos; pero, esta técnica está, todavía, en sus inicios. Las peculiaridades de los distintos tipos de polvos procedentes de un mismo metal, dependen de su método de obtención y de los tratamientos a los que han sido sometidos. Las propiedades fundamentales, tales como forma,
composición,
tamaño,
distribución,
porosidad
y
microestructura, definen el tipo de polvo. Las propiedades secundarias derivan de las fundamentales, y su determinación suele ser corriente en el control industrial. Entre ellas cabe citar la densidad, distinguiendo entre la densidad aparente y la del polvo vibrado; la velocidad de derrame, la superficie específica, la compresibilidad, la compactabilidad o consolidabilidad, la plasticidad y la capacidad de endurecimiento por deformación. Así
pues, las propiedades más representativas que caracterizan a las partículas de polvo metálico son las siguientes:
Forma y estructura interna de las partículas. El aspecto morfológico del polvo metálico es una característica de gran importancia, dada su influencia en otras propiedades, tales como la densidad aparente, la compresibilidad, etc. Existen variaciones tanto en la forma de las partículas de una colección de polvos como en sus tamaños. La geometría de las partículas depende del método empleado para la obtención del polvo. Las morfologías básicas de las partículas pueden ser esféricas, redondeadas, angulares, aciculares, dendríticas, fragmentadas, y pueden determinarse mediante microscopía óptica y electrónica. Una forma simple y útil de medir la forma es la relación del aspecto entre la dimensión máxima y mínima de una partícula dada. La relación del aspecto para una partícula esférica es 1.0, pero para un grano acicular puede ser 2 o 4. La porosidad indica el grado de compacidad de la partícula de polvo. Pueden distinguirse dos tipos de porosidad, según si el poro está en la superficie o en el interior de las partículas pulverulentas, y que se denominan porosidad externa y porosidad interna, respectivamente. Los polvos de hierro obtenidos por reducción de sus óxidos presentan microporosidad interna. En cambio, los polvos de acero atomizados previa reducción de los óxidos formados, presentan cierta porosidad superficial, siendo sus núcleos compactos. Los polvos de procedencia electrolítica presentan características semejantes a estos últimos. A su vez, en la porosidad interna pueden distinguirse dos tipos de poros: el tipo esponja, en el cual los poros se presentan como un conjunto de huecos aisla dos, y el tipo erizo, en el cual los poros están interconectados. La porosidad interna se detecta mediante observación al microscopio o por medida de densidad. La porosidad de tipo erizo, así como la superficial, producen elevados valores de superficie específica, fáciles de detectar. En caso de que la pieza presente una geometría compleja se puede utilizar la técnica basada en el Principio de Arquímedes. Para practicar esta técnica es necesario impedir que el agua penetre en los poros, para lo cual se utilizan aceite de silicona, resinas, entre otros. En la práctica, para calcular las densidades abierta y cerrada, se d etermina primero la abierta y por diferencia con la porosidad total se halla la cerrada. Existen
diversas metodologías para medir la porosidad abierta de una manera indirecta por efecto de capilaridad mediante porosímetros de mercurio, de aceite, de gas, de etanol, entre otros.
Composición, homogeneidad y contaminación. La caracterización del polvo no sería completa sin una identificación de su composición química. Los polvos metálicos se clasifican como a) elementales (polvo de un solo elemento químico), b) semialeado o parcialmente aleado (obtenido por difusión parcial entre partículas de la mezcla de polvos elementales en hornos a bajas temperaturas) y c) prealeado o totalmente aleados (donde cada partícula tiene la misma composición química) (Figura N°01). La composición del polvo se obtiene mediante el análisis químico, el cual nos permite conocer la naturaleza del material y su pureza. Los métodos de análisis empleados
en
Pulvimetalúrgia
son
tan
variados
como
interesantes,
comprendiendo la gravimetría, la volumetría y numerosos métodos de análisis instrumental. Por otra parte, la práctica pulvimetalúrgica requiere, como característica de gran interés, conocer además la distribución de las impurezas. El óxido interior de la partícula pasa al componente sinterizado sin interferir apenas, mientras que el óxido superficial o bien es eliminado en la atmósfera reductora del horno, o bien dificulta la unión de las partículas. Conviene, por lo tanto, conocer la cantidad de óxido superficial, que se expresa como la pérdida de hidrógeno que se produce en el horno de atmósfera de hidrógeno, calculada pesando el polvo antes y después de la calcinación.
Figura N°01: Tipos de aleación de los polvos metálicos. Tamaño y distribución de partícula. Queda definido por sus dimensiones. En el caso de partículas esféricas, el tamaño se expresa mediante su diámetro. Cuando se trata de partículas no esféricas, se aplica el concepto de “diámetro medio”, cuya definición depende del método escogido para su determinación. Por ejemplo, si se emplea el tamizado, se expresa el diámetro medio en términos de malla; si se usa el recuento microscópico, se recurre a la media de varias dimensiones.
Es raro encontrar polvos que tengan un tamaño de partí cula uniforme; por ello, se hace necesario introducir el concepto de “distribución”, que define la desviación de tamaños del conjunto y repercute en las características secundarias del polvo. La determinación de la distribución de tamaño y del tamaño suele hacerse simultáneamente. Entre los métodos aplicados a la determinación del tamaño de las partículas cabe diferenciar los que necesitan medio húmedo de los que no lo requieren: a) Medio húmedo: sedimentación, centrifugación, microscopía y modulación del flujo eléctrico. b) Medio seco: tamizado, microscopía y permeabilidad. La sedimentación se basa en la ley de Stokes, la cual establece que cuando un sólido cae en el seno de un fluido, aparece una fuerza de rozamiento FR que se opone al movimiento. Se ha comprobado experimentalmente que la fuerza de rozamiento depende de la viscosidad del fluido µ, del tamaño del sólido y de su velocidad de caída. La centrifugación es la combinación de la sedimentación con la fuerza centrífuga aplicada a las partículas, cuya acción equivale a aumentar considerablemente el peso de las mismas. En la sedimentación libre, el peso de una partícula de masa m situada en un campo de gravedad. La separación se realiza en ciclones, en separadores centrífugos y separadores en vía húmeda. La microscopía óptica y la electrónica contribuyen al estudio del tamaño y distribución de las partículas de polvo. El microscopio más empleado para ell o es el óptico. Consta de una fuente luminosa que genera un haz de rayos, el cual llega a un espejo plano que lo refleja, enviándolo, a trav és de las lentes que constituyen el objetivo, a la superficie de la muestra. Aquí parte del haz incidente se absorbe y parte se refleja, de modo que una fracción importante del haz reflejado vuelva a pasar a través de las lentes del objetivo, donde la imagen se amplía, vuelve a pasar por el espejo plano y llega al conjunto de lentes que forman el ocular, donde la imagen se vuelve a ampliar. Los microscopios ópticos corrientes consiguen entre los 1000 y 2000 aumentos. La longitud de onda asociada a un electrón es mucho menor que la longitud de onda de las radiaciones visibles, y es por esta razón que con el microscopio electrónico de barrido (SEM), se consiguen muchos más aumentos (hasta x50000), lo que posibilita observar los polvos sin previa preparación en las tres dimensiones. El aparato consiste en un sistema que genera
electrones, los acelera y enfoca mediante dos lentes electromagnéticas y los hace incidir sobre la muestra que actúa como anticátodo. En este choque se arrancan electrones secundarios superficiales e internos, fotones, Rayos X, utilizándose los electrones secundarios superficiales para formar la imagen topográfica de la superficie de la muestra. La modulación de flujo eléctrico aplica medidas de variación de potencial eléctrico a la determinación del volumen de las partículas. El tamizado consiste en la separación de partículas mediante tamices de distinta malla que las dejan pasar, o las retienen. Es el método más empleado para determinar la granulometría de las partículas. Los polvos se colocan sobre una criba de un cierto número de malla y ésta se hace vibrar para que las partículas pequeñas que caben en las aberturas caigan a la siguiente criba (Figura X). La segunda criba se vacía en la tercera y así sucesivamente, de manera que las partículas se seleccionen de acuerdo a su tamaño. El procedimiento para seleccionar los polvos por su tamaño se llama clasificación. Las aberturas en la criba son menores que el recíproco del número de malla debido al espesor del alambre en la criba.
Figura N°02: Malla de criba para seleccionar tamaños de partícula. Las variaciones que ocurren en la selección de tamaños de partículas mediante cribado se deben a las diferencias en la forma de las partículas, al rango de tamaños entre los números sucesivos de malla y a las variaciones de tamaños de las aberturas dentro de un número dado de malla. Además, el método de cribado tiene un límite práctico en cuanto al parámetro MC, debido a la dificultad de hacer mallas tan finas y a la aglomeración de los polvos tan finos. Otros métodos para medir el tamaño de las partículas son por microscopía y técnicas de rayos X. La determinación del tamaño del grano en las masas pulverulentas basada en la permeabilidad consiste en realizar el cálculo de la superficie esférica de la
partícula midiendo la resistencia que una columna llena de polvo opone al paso del aire.
Densidad aparente. Es preciso hacer la distinción entre la densidad aparente y la densidad del polvo vibrado. La primera se define como la relación entre el peso, en gramos, y el volumen, en centímetros cúbicos, de una masa pulverizada. La densidad de polvo vibrado es esta misma relación; pero, tras someter la masa pulverizada a sacudidas de intensidad y duración normalizadas, en un recipiente de dimensiones fijas. Esta densidad de polvo vibrado sólo tiene un reducido interés práctico. La medida de la densidad aparente se efectúa pesando un recipiente de volumen conocido enrasado con el polvo problema. Esta medida depende de la forma de las partículas, de su tamaño y distribución, así como de su porosidad. Su interés reside en el hecho de que las matrices suelen llenarse con un volumen fijo de polvos, por lo que la densidad indica la profundidad con la cual deben diseñarse.
Superficie específica. De la masa de polvo es la relación que hay entre su superficie y el peso, expresándose su valor en cm2/gramo. Su determinación se realiza midiendo la velocidad de disolución del polvo o de una reacción química, o bien por medidas de permeabilidad, microscopía y, especialmente, por fenómenos de adsorción. Brunaver, Emmet y Teller desarrollaron una completa teoría de la adsorción, conocida por el acrónimo BET. El principio del método BET se basa en cubrir la superficie de la muestra de polvo a examinar con una monocapa de gas absorbido. Normalmente, se emplea nitrógeno a la temperatura del nitrógeno líquido (195°C), en cuyas condiciones las moléculas de gas nitrógeno forman una monocapa. Conociendo el volumen de gas absorbido y el área cubierta por una sola molécula, se puede calcular el área superficial o la superficie específica si se expresa por unidad de masa.
Área superficial. Suponiendo que la forma de la partícula sea una esfera perfecta, su área A y su volumen V proporciona un factor de forma ( ) y (en el caso general): diámetro de una esfera o volumen equivalente al de una partícula no esférica. Entonces = 6.0 para una esfera. Para formas de partícula diferentes a la esférica, > 6.
A tamaños menores de partícula y factores de forma más elevados ( ) el área superficial será mayor para el mismo peso total de polvo metálico. Esto significa una mayor área donde puede ocurrir la oxidación. El tamaño más pequeño del polvo también conduce a una mayor aglomeración de las partículas, lo cual es una desventaja para la alimentación automática de los polvos. La razón para usar tamaños más pequeños de partículas es que implican una contracción más uniforme y mejores propiedades mecánicas en los productos finales de la PM.
Compresibilidad. Es la reducción de volumen que se obtiene por prensado del mismo. Se emplea, también, a fin de materializar numéricamente esta característica, la llamada “relación de compresión”, definida como el cociente entre la densidad del polvo compactado en verde (sin sinterizar) y la densidad aparente. Según Randall, el proceso de compactado comienza con la densidad aparente del polvo metálico y a medida que se incrementa la presión de compactación,
ocurren
diferentes
procesos,
referidos
como
etapas
de
compactación. En primer lugar, en el proceso de compactado existe un reacomodo de las partículas (empaquetamiento) seguido de deformaciones elasto-plásticas localizadas. Posteriormente, se producen procesos de deformación plástica en las partículas dúctiles y puede haber fragmentación de partículas frágiles. Finalmente, ocurre una etapa de densificación global, en la cual se tiende, de una manera asintótica, a la densidad máxima de compactación, que es característica para cada tipo de polvo metálico.
Figura N°03: Esquema de curva de compresibilidad.
Como es lógico, a una mayor presión aplicada le corresponde una reducción del volumen mayor, o sea una mayor densidad en verde; por lo tanto, la relación de compresión es una relación asintótica que tiende a un valor máximo de la densidad (Figura N°03).
Consolidabilidad. Es la presión mínima necesaria para producir un compactado de resistencia en verde satisfactoria. Se entiende por resistencia en verde la resistencia mecánica precisada para que el polvo compactado, pero aún no sinterizado, pueda manipularse sin deterioro durante las operaciones mecánicas que van del prensado al sinterizado, es decir, durante la expulsión de la matriz y el traslado al horno.
Ductilidad. Es la cualidad que poseen los polvos de ser fácilmente deformable con carácter permanente. Cuanto mayor es la ductilidad, mayor es el aumento de la superficie de contacto de los polvos durante la compactación. En este caso, la resistencia en verde y la densidad aumentan considerablemente. La ductilidad es función de la composición química del polvo, de su forma y de su micr oestructura.
Acritud. La acritud es la capacidad que posee el polvo de endurecerse por el trabajo. La facultad de deslizarse que poseen los planos cristalográficos de empaquetamiento máximo de unos sobre otros se traduce en un aumento del número de imperfecciones cristalinas y de la dureza y del límite elás tico, así como en una disminución de la tenacidad. Este fenómeno altera la distribución de tamaños en el polvo e incrementa la densidad en la etapa de compactación.
Fluencia. Las características de flujo son importantes durante el llenado del dado y el prensado. El llenado automático del dado depende de un flujo fácil y consistente de los polvos. En el prensado, la resistencia a fluir incrementa las variaciones de densidad en la parte compactada. Estos gradientes de densidad son generalmente indeseables. La fluencia se define como el tiempo necesario para que una cantidad fija de polvos fluya a través de un orificio normalizado. En general, el método consiste en descargar 50 g de polvo en un embudo de fluencia normalizado, con un mínimo de 5 ensayos. Los tiempos menores de flujo indican mayor facilidad de flujo y menor fricción interparticular. Para reducir la fricción interparticular y facilitar el flujo durante el prensado, frecuentemente se añaden pequeñas cantidades de lubricantes a los polvos.
5
MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE 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:
5.1
ATOMIZACIÓN
Técnica de elevada productividad (400 kg/min) que se aplica fundamentalmente en metales y aleaciones.
El polvo se obtiene mediante la pulverización del material en estado líquido. Su fraccionamiento en gotas se produce antes de la solidificación.
Cuanto mayor es la energía suministrada al caldo menor es el tamaño de partícula.
Se utiliza tanto para polvos elementales como prealeados
5.1.1 Atomización por gas Se trata del método más común para producir polvos. La materia prima elemental s e funde bajo un manto de aire o de gas inerte, o bajo vacío. A continuación la cámara se llena de gas para forzar a la aleación fundida a través de una boquilla donde hay aire, N, He o gas Ar que impacta contra el material fundido en movimiento, rompiéndolo. Los polvos son en su mayoría esféricos, con presencia de algunas partículas y satélites asimétricos. Hablamos de satélite cuando una partícula más pequeña se pega a otra más grande durante el proceso de solidificación. Las dimensiones de calentamiento van de 5 kg a 3000 kg. Los tamaños van de 0 a 500 micrones. La producción en el rango de 20 a 150 micrones varía entre el 10 % y el 50 % del total. Se usa principalmente para aleaciones de Ni, Co y Fe, aunque también está disponible para aleaciones de Ti y Al.
Gas inerte para evitar la oxidación
El caldo se funde en un horno de inducción y se vierte por una boquilla.
Necesita un sistema de extracción de gases para evitar sobre-presión en la cámara.
Variables:
F undido: T caldo, viscosidad, flujo de metal Gas: Tipo, P, caudal, velocidad, T, geometría boquilla salida de gas
Figura N°04: Atomización por gas.
5.1.2 Atomización por agua Un chorro de agua a alta presión es forzado a través de una boquilla para formar una fase dispersa de gotitas las cuales impactan con el chorro de metal. Este método requiere grandes cantidades de energía para proporcionar el agua a alta presión. Debido a la formación de óxidos esta técnica no es apropiada para metales altamente reactivos como el titanio. En general, los polvos obtenidos son de forma irregular con superficies oxidadas y rugosas.
Técnica más usada para producir polvos elementales o prealeados de Tf< 1600ºC. Producción de 400kg/min.
Se pulveriza incidiendo con chorros de agua a Presión (5ℓ agua/kg metal).
Produce un temple de las partículas y una oxidación en la superficie de las partículas.
Suele ir acompañado de un proceso de reducción en hidrógeno con molienda posterior.
Se utiliza principalmente para materiales no reactivos, como los acer os, y produce partículas con formas irregulares
5.1.3 Atomización por plasma Una técnica relativamente nueva que produce polvos de alta calidad y sumamente esféricos. La materia prima metálica se aplica a una antorcha de plasma que, con la ayuda
de gases, atomiza el polvo. Los tamaños van de 0 a 200 micrones. Se limita a aleaciones que puedan tomar forma de materia prima metálica.
Figura N°05: Atomización por plasma.
5.1.4 Otras formas de atomizar EIGA (Inducción electródica de fundición por atomización con gas): Funciona con todas las aleaciones, pero es más económica con aleaciones reactivas como el Ti. La materia prima, en forma de barra, se rota y se funde mediante una bobina de inducción. Una película de metal fundido fluye en dirección descendente hacia una corriente de gas para realizar la atomización. Por lo tanto, el material no entra en contacto con el crisol ni con el electrodo durante el proceso. El tamaño de los polvos va de 0 a 500 micrones y la morfología es similar a la de la atomización por gas. El proceso es barato, limpio e ideal para pequeños lotes, produciendo polvo de diámetro reducido. Similar al proceso EIGA, pero la barra en rotación de la materia prima se funde cuando entra en contacto con un plasma. Los polvos son sumamente esféricos pero la producción está limitada a menos de 100 micrones, por lo que el precio puede ser muy alto.
Atomización centrífuga: Es un proceso simple que no está muy generalizado. Se trata de un buen compromiso entre el proceso de atomización por gas y de atomización por plasma. Genera polvo que es más esférico y tiene menos porosidad por gas atrapado que el polvo generado por atomización por gas, pero no tiene la calidad del de la atomización por plasma o PREP. Sin embargo, es más barato que el polvo generado por PREP o por
atomización por plasma. Es mejor para tamaños de lotes más grandes o para aleaciones menos reactivas con baja temperatura de fusión, pero también puede producir superaleaciones de níquel.
Esferoidización por plasma: LPW Technology utiliza plasma de alta energía para producir polvos metálicos altamente esféricos y de gran densidad. El sistema de LPW utiliza el plasma para transformar polvos aglomerados producidos mediante técnicas de secado por atomización o sinterización, o polvos angulares producidos mediante métodos de trituración convencionales, en polvos esféricos. Los polvos se alimentan por gravedad desde la parte superior y se atomizan a través del plasma mediante diversos tipos de boquillas, según las características específicas de los polvos. Las partículas de polvo individuales se funden completamente y se solidifican con forma esférica. Los polvos tratados con plasma son completamente densos y altamente esféricos. La contaminación superficial también se reduce de forma significativa mediante la vaporización de impurezas. En LPW contamos con unos amplísimos conocimientos en el campo de la fabricación aditiva y una dilatada experiencia trabajando con empresas líderes en las industrias aeroespacial,
biomédica
y
automotriz. Utilizamos
estos
conocimientos
y
las
características de la tecnología del plasma para producir polvos altamente esféricos y con bajos niveles de contaminación:
Metales refractarios con alta temperatura de fusión como el Ta, W, Nb, y el Mo
Composiciones metálicas y cerámicas específicas para cada cliente
Mejora de la fluidez y reducción de los niveles de contaminación de productos estándar producidos mediante atomización por gas o agua
Reacondicionamiento de polvos metálicos que se han utilizado varias veces en una máquina de fabricación aditiva. La pureza, morfología y contaminación superficial de los polvos varían con el uso, especialmente en el caso del oxígeno, nitrógeno e hidrógeno
5.2
ELECTRODEPOSICIÓN
Es un proceso químico o eletroquímico, para el tratamiento de superficies, depositando una capa metálica (y en ciertos casos no metálica). Se basa en el paso de la corriente eléctrica entre dos metales diferentes (electrodos) que están inmersos en un líquido conductor (electrolito). Se utiliza para proteger al material de la corrosión, mejorar las propiedades de la superficie, o con efectos decorativos. La galvanización es una forma de electrodeposición de capas de metal que requiere operarios especializados. La galvanoplastia es la producción electrolítica de objetos metálicos. Es posible reducir el ion metálico en el cátodo, bajo condiciones operativas controladas, para generar un depósito pulverulento con propiedades opuestas a las que se persiguen en los procesos de electrodeposición convencionales. Dentro de este procedimiento también puede incluirse la desintegración mecánica de electro depósitos o la electrodeposición con formación de amalgamas y posterior destilación para liberar el polvo del metal.
Método por electrólisis. Consiste en dejar crecer un depósito metálico sobre una placa metálica (cátodo), suspendida en un tanque conteniendo un electrolito (soluciones acuosas o sales fundidas) y la fuente de metal empleada para hacer el depósito que forma el ánodo. Después de un periodo de exposición a una cierta corriente, durante un cierto tiempo, se retira la placa del electrolito, se seca y se separa el metal depositado, el cual se muele posteriormente para producir partículas del tamaño deseado. Este método se emplea para producir polvo de cobre, berilio, plata, tantalio, hierro y titanio de lo más puro que puede conseguirse
5.3
REACCIÓN QUÍMICA
Es la ruta habitual para polvos de metales y cerámicas.
El tamaño de partícula se controla con los parámetros que afectan a la cinética de la reacción química involucrada.
Hay tres variantes según la reacción se dé en fase sólida, líquida o vapor
Método de reducción. Este es un proceso de tipo químico y consiste en hacer reaccionar mineral refinado a fin de obtenerlo como un producto de buena pureza. Se trabaja con
este método la reducción de óxidos metálicos, haciéndolos reaccionar a fin de eliminar el oxígeno, para lo cual se requiere de un agente reductor como puede ser el hidrógeno o el monóxido de carbono. Los óxidos metálicos se reducen quedando partículas de polvo metálico de muy buena pureza. Las partículas de polvo metálico así obtenidas suelen ser esponjosas y porosas, con formas esféricas o angulares y de tamaño uniforme. Polvo de hierro, níquel, cobalto, cobre, molibdeno y tungst eno.
Descomposición térmica de carbonilos: Fabricación de polvos mediante la combinación de Fabricación de polvos mediante la combinación de vaporización y condensación. Por ejemplo: Ni carbonilo, Au, Co, Ag. El metal reacciona con CO para formar M-carbonilo. Para que la reacción se dé es necesario aplicar simultáneamente presión y temperatura. Con posterior destilación fraccionada, se descompone de nuevo en el metal y el CO. Es predominante la descomposición de carbonilos de ciertos metales (Fe, Ni) formados por reacción con monóxido de carbono a alta presión y temperatura, éstos son descompuestos a baja presión para dar el polvo del metal con forma esferoidal. También puede mencionarse la transformación de cationes metálicos desde óxidos o sales mediante un agente reductor apropiado tal como hidrógeno o carbón, es importante decir que la velocidad de reducción puede estar limitada por la velocidad de difusión del gas hacia dentro de las partículas.
Precipitación desde solución: Para iones divalentes, el proceso consiste en precipitación desde solución acuosa utilizando H2. El concepto básico es que los iones metálicos de Ni, Co o Cu en solución, reaccionen con un gas siguiendo: M2+ + H 2 → M + 2H
+
Precipitación desde soluciones salinas: Calentando las soluciones de las sales solubles, se descomponen en sus respectivos metales y óxidos. Aplicaciones: UO2, Pt, Se, Te.
Reacciones auto propagadas (Thermit reactions): reducción de un óxido con un polvo metálico que tenga una ∆G<0 para la formación de su óxido. Ejemplo: reducción de Cr2O3 con Mg.
Procesado químico de CERMETS: carburos, nitruros, boruros o siliciuros
5.4
MECÁNICOS
Pulverización o Trituración: Este proceso consiste en el desmenuzamiento o pulverización mecánica del metal e implica la fragmentación o molienda de éste, la cual se lleva a cabo por trituración por rodillos, en molinos de bolas, molino de martillos, pudiéndose producir polvos casi con cualquier grado de finura, o esmerilado de metales frágiles o menos dúctiles. La acción de pulverizado afecta de manera distinta a los materiales, si el material es frágil, las partículas de polvo que se producen tienen formas angulares; si los materiales son dúctiles se producen partículas con forma de hojuelas, lo cual no es recomendable en la metalurgia de polvos. En este proceso se mezclan polvos de dos o más metales puros en un molino de bolas, a fin de que por la acción mecánica de las bolas sobre las partículas de polvo metálicas, éstas se rompan y se unan entre sí por difusión, formándose los polvos de aleación.
Perdigonado: Es la operación de vaciar el metal fundido a través de un tamiz u orificio y enfriarlo dejándolo caer en el agua. Se obtienen partículas esféricas o con forma de pera.
Con maquinado: Se producen con partículas gruesas y se usa principalmente para producir polvos de magnesio.
De molido: Se utilizan distintos topis de trituradores, molinos rotatorios de rodillos y por estampado.
Granulación: Se presenta cuando los metales pueden convertirse en pequeñas partículas con una agitación rápida del metal mientras se está enfriando.
6
POLVOS ESPECIALES
Polvos prealeados. Cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Estos polvos se unan cuando una aleación no puede formularse mediante la mezcla de polvos elementales, el acero inoxidable es un ejemplo. Los polvos prealeados más comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad. Los polvos prealeados se obtienen por mezclas de polvos metálicos puros y no proporcionan algunas propiedades físicas que son posibles. Los polvos prealeados o aleados en el proceso de fusión proporcionan propiedades del producto similares a la que son posibles en la composición cuando se funde y alcanza una densidad máxima, esto permite la producción de aleación, tales como los aceros inoxidables y otras composiciones de alta aleación. Los productos de polvos metálicos
prealeados pueden tener propiedades, como resistencia a la corrosión y alta resistencia a temperatura elevada. Una de las ventajas de este tipo de polvos es que requieren menores temperaturas para su producción y que proporcionan la suma de las propiedades de los dos metales unidos similares a las que se obtendrían con la fundición.
Polvos recubiertos. Los polvos metálicos pueden ser recubiertos con un elemento, pasando el polvo a través de un gas portador. Cada partícula es uniforme revestida, produciendo así un producto en polvo el cual cuando se sinteriza adquiere ciertas características del recubrimiento. Los productos elaborados a partir de polvos recubiertos que se sinterizan, son homogéneos que aquellos que se producen por el proceso de mezclado.
7
APLICACIONES DE LA PULVIMETALURGIA (MERCADO E INDUSTRIAS)
Las piezas pulvimetalúrgicas son usadas en muchos productos finales. El mayor comprador de piezas puvimetalúrgicas es la industria automotriz. Las aplicaciones automotrices forman aproximadamente el 70% de la pulvimetalurgia Norteamericana de las piezas que se comercializan. En 1999 el típico vehículo familiar contenía cerca de 15 kg (35 Ib) de piezas pulvimetalúrgicas con un incremento de 10.9 kg (24 Ib) desde 1990. Se ha estimado que en el año 2000 se utilizaron 15.9 kg (35 Ib) en cada vehículo vendido. En el año 2002 los vehículos en Norteamérica contenían ya más de 17 kg (37.5 Ib) de piezas pulvimetalúrgicas. En contraste los vehículos europeos aproximadamente 7.3 kg (16 Ib) de partes pulvimetalúrgicas, mientras que la industria automotriz Japonesa únicamente contenía 7.1 kg (15.8 Ib). Como la resistencia mecánica y las tolerancias de piezas pulvimetalúrgicas mejoran, aumentará el uso de la pulvimetalurgia a expensas del hierro dúctil en piezas de transmisión. La Ingeniería de transmisiones en automóviles está considerando seriamente el uso de metales en polvo para piñones y marcos del transportador del piñón en cajas automáticas para mejorar la exactitud dimensional y reducir gastos de producción. Se estima que este nuevo mercado se abrirá en los siguientes años pudiendo, ser esta la aplicación más
importante para aceros pulvimetalúrgicos durante la presente década. La otra aplicación de considerable magnitud es la barra de conexión que data de 1980. Una barra de conexión típica pesa cerca de 1 kg (2.2 lb). Los mercados para piezas pulvimetalúrgicas incluyen: Los arrastres dentados de cer rojos, tractores de jardín, pistones, motores de automóvil y transmisiones, sistemas de freno y dirección de automóvil, máquinas lavadoras, armas deportivas, herramient as, copiadoras, cuchillos de caza, ensambles hidráulicos, escudos de rayos x, cabezas de puntas perforadoras de petróleo y gas, cañas de pescar y relojes de pulsera.
Figura N°06: Pistones y componentes de una transmisión automotriz elaborados por Pulvimetalurgia. Los motores de las nuevas aeronaves comerciales contienen superaleaciones pulvimetalúrgicas extruidas. Los norteamericanos consumen casi un millón de kilogramos de polvo de hierro anualmente en cereales y pan enriquecidos en hierro. Las aplicaciones de la PM son bastante amplias. Algunos ejemplos del uso de polvos metálicos son: filamentos de tungsteno para focos incandescentes, restauraciones dentales, rodamientos auto-lubricantes, engranes de transmisión de automóviles, contactos eléctricos, elementos de combustible para energía nuclear, implantes ortopédicos, filtros de alta temperatura, pilas recargables y componentes para aeronaves. La tabla N°01 enlista una serie de usos típicos de componentes provenientes de la PM.
Tabla N°01: Ejemplos de usos de polvos metálicos.
http://www.revistadeingenieria.com/content/una-introduccion-a-la-pulvimetalurgia-ometalurgia-de-polvos https://www.ecured.cu/Pulvimetalurgia http://metalurgia.usach.cl/sites/metalurgica/files/paginas/capitulo22.pdf http://zambranosanchez.es/Apuntes%20Web/Pulvimetalurgia.pdf http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4924/fichero/Capitulo+2.pdf http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5406/fichero/1+Introduccion.pdf https://prezi.com/qty_5l_tzrd0/metodo-y-fases-del-proceso-de-produccion-de-polvos pulvimetalurgia/
https://es.slideshare.net/betorossa/proceso-de-transformacin-de-metales pulvimetalurgia-2014 http://www.lpwtechnology.com/es/technical-library/powder-production/
