INDICE.
1. INTRODUCCION
- LA PULVIMETALÚRGIA. CONCEPTO
- APLICACIONES
- LA METALÚRGIA DE POLVOS. CARACTERISTICAS DE LOS MISMOS.
4.1 Características del polvo metálico
4.2 Procedimientos de extracción mecánicos
4.3 Procedimientos de extracción físico-químicos
- PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS
5.1 Dosificación y mezcla
5.2 Prensado del polvo
5.3 Sinterización
5.4 Operaciones de acabado
- LIMITACIONES Y DEFÉCTOS DE LA PULVIMETALÚRGIA
- CONCLUSIÓN
1. INTRODUCCIÓN
La Pulvimetalurgia es una tecnología de conformado que puede vincularse tanto a materiales avanzados como a la producción de componentes de altas prestaciones y bajo coste. Es una tecnología de las consideradas “near net shape” (se consigue casi la forma buscada) y permite competir con métodos alternativos de fabricación minimizando operaciones finales de mecanizado y con un considerable ahorro de energía y materias primas.
La Pulvimetalurgia es una tecnología altamente desarrollada en España, ocupando nuestro país el segundo lugar europeo en fabricación por sinterización de productos como son: plaquitas de metal duro, las herramientas diamantadas y el acero sinterizado. Por tanto resulta lógico conocer en detalle esta técnica de conformado.
, también en el segundo lugar europeo
- LA PULVIMETALÚRGIA. CONCEPTO
Con el nombre de pulvimetalurgia se conoce al proceso de conformación de piezas metálicas a partir de partículas finísimas de polvo de metal. Este polvo es comprimido en un molde y calentado a Tªs por debajo del punto de fusión hasta producir la unión de las partículas. De esta forma se obtienen piezas sólidas con la forma dictada por el molde.
Como ventajas principales de esta técnica de conformación con respecto a otros podemos citar:
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Ventajas de la pulvimetalurgia |
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1. La pérdida de material es muy reducida pues no existe viruta ni chatarra. 2. Se consiguen permeabilidades controladas por filtración (porosidad controlada) lo que es muy interesante para ciertas aplicaciones. 3. Se consiguen formas únicas o complejas, imposibles de conseguir con otros procedimientos. 4. Permite la mezcla de materiales insolubles o difícilmente aleables entre sí. De esta forma se consiguen piezas con buena dureza, resistencia, buen efecto de corte y buen deslizamiento. 5. El proceso es muy adecuado para la fabricación de grandes series de piezas de pequeñas dimensiones donde los tiempos de fabricación son cortos y los costos por pieza reducidos. |
- APLICACIONES
Por medio de conformación por sinterizado se puede realizar económicamente la fabricación en grandes series largas de piezas terminadas o semi-terminadas como engranajes, árboles de levas, segmentos de pistones, guías de válvulas, filtros, armería y piezas de máquinas en general… etc.
Dentro de todos estos productos vamos a destacar algunos típicamente realizados por esta técnica:
Þ Cerámica de corte. Como decimos con este procedimiento se combinan sustancias que no se pueden alear entre sí. Se suelen sinterizar partículas muy duras como la alúmina o el carburo de Wolframio con polvos metálicos como Ti o Co. Las sustancias se sinterizan obteniendo de esta forma plaquitas o elementos de corte de gran dureza y resistencia a la temperatura.
Þ Piezas difíciles de moldear por fundición, forja o mecanizado, como imanes y piezas magnéticas en general.
Þ Cojinetes de fricción autolubricantes. Estos cojinetes están formados por polvo de Cu sinterizado quedando poros en su interior que llegan a representar hasta el 30% del volumen total del cojinete. Dichos poros son impregnados con aceite el cual exudará cuando el cojinete esté en funcionamiento y aumente la Tª.
Þ Cermets. Mediante la pulvimetalurgia se fabrican materiales compuestos por matrices metálicas de buena resistencia mecánica y tenacidad, junto con partículas de materiales cerámicos de gran resistencia al desgaste y propiedades refractarias. Estos materiales, conocidos como Cermets, encuentran aplicación en aparatos químicos muy resistentes a la corrosión, equipos para energía nuclear, bombas para servicios severos, sistemas de manipulación de combustibles…etc.
- LA METALÚRGIA DE POLVOS. CARÁCTERISTICAS
La primera operación de la conformación por sinterización es la obtención del material metálico en forma de polvo o partículas. Estas partículas han de poseer unas características adaptables al proceso deseado, así podemos definir:
4.1 Características del polvo metálico
a. Propiedades químicas; esta especificación está relacionada con la cantidad de óxidos y otros elementos permitidos.
b. Compresibilidad, definiéndose como la relación entre el volumen de polvo inicial y el volumen obtenido tras la compresión. Varía considerablemente y es afectado por la distribución del tamaño de las partículas y su forma.
c. Densidad aparente. Expresada en gr/cm3 debe permanecer constante para que la misma cantidad de polvo pueda ser secada cada vez.
d. Finura, se refiere al tamaño de la partícula y se determina por el paso de la partícula a través de un colador o por observación al microscopio. Los rangos varían entre 35 y 850 μm.
Una vez conocidos las diferentes características que definen las partículas de polvo, pasamos a conocer cuales son los principales métodos de obtención de las mismas:
4.2 Procedimientos mecánicos
Donde podemos diferenciar:
1)El molido, que se realiza solamente con metales frágiles, como el Mn o el Cr, pues los metales dúctiles se aglutinan. Este procedimiento tiene un bajo rendimiento por lo que generalmente sólo se emplea como método complementario a otros.
2)La pulverización mecánica se realiza dirigiendo un chorro de metal fundido contra un disco en movimiento a gran velocidad. De esta manera las partículas salen desprendidas y fragmentadas, recogiéndose posteriormente.
3)Si en vez de un disco utilizamos un chorro muy violento de aire a presión contra el chorro de metal, se producirá la atomización de las partículas metálicas. Este último procedimiento puede ser aplicado a todos los metales si bien se utiliza sobretodo con polvos de hierro, estaño, plomo y Zn.
4.3 Procedimientos físico-químicos
Entre ellos destacan:
a. Electrólisis; por medio de fuertes densidades de corriente y temperaturas elevadas del baño, se consiguen depósitos electrolíticos esponjosos, que serán fragmentados posteriormente en un proceso de molido.
b. Condensación. La condensación de los metales puestos en estado de vapor, da polvos muy finos, de formas muy esféricas. Se utilizan principalmente para la obtención de Zn.
c. Reducción de óxidos. Se reducen los óxidos metálicos a polvos metálicos poniéndolos en contacto con un gas reductor a una temperatura inferior a la de fusión.
Además de los anteriores también cabe nombrar la descomposición térmica, la corrosión intercristalina o la dispersión por arco eléctrico.
- PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS
Una vez seleccionado y obtenido el polvo por los procedimientos explicados, este ha de ser tratado antes del sinterizado.
5.1 Dosificación y mezcla
Generalmente, para obtener las características requeridas será necesario mezclar polvos de tamaños y composiciones diferentes. Igualmente se puede añadir aditivos que actúen como lubricantes durante el compactado o aglutinantes (estearato de cinc) que incrementen la resistencia del compactado crudo.
Debido a la elevada relación área superficial/volumen los polvos metálicos tienen una gran facilidad para oxidarse de forma exotérmica, esto es, son explosivos, por lo que deberán manejarse con precaución.
5.2 Prensado del polvo
El polvo suelto se comprime mediante prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz, resultando una forma que se conoce como pieza en verde o compactado crudo. La compresión produce una especie de soldadura en frío de los granos puestos en contacto íntimo hasta llegar a hacer ligazones atómicas entre átomos superficiales.
Las prensas más utilizadas son uniaxiales, en las que la presión se aplica al polvo en una sola dirección. Mediante la compactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados muy precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica. Un inconveniente de la compactación uniaxial es la baja relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la pieza y las zonas más próximas al punzón. Para obtener un compactado con mayor densidad se pueden emplear prensas de doble émbolo; aún así las piezas seguirán presentado grandes anisotropías.
Para corregir este inconveniente se puede realizar un Prensado isostático en frío. Es un método de compactación que se realiza encerrando herméticamente el polvo en moldes elásticos y aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que puede ser agua o aceite. De esta forma se consigue que las piezas en verde presenten unas propiedades más uniformes en toda su geometría, si bien esta es una técnica mucho más cara y lenta.
5.3 Sinterizado
Como adelantábamos, una vez producida la compresión se produce el calentamiento de la pieza para mejorar sus propiedades mecánicas. La Tª de sinterización debe ser lo suficientemente alta para lograr que el aumento de movilidad de los átomos superficiales de cada partícula produzca la recristalización total. Esta Tª, sin embargo no ha de llegar nunca a la de fusión del metal o aleación (de forma general es un 70% de la Tª de fusión del metal con menor punto de fusión)
La duración de la sinterización depende de la Tª a la que se lleve a cabo, siendo más corta cuanto mayor es esta. El tiempo no debe ser muy largo pues se debe evitar el crecimiento excesivo de los granos que mermaría las propiedades mecánicas de las piezas
El calentamiento se produce en hornos continuos donde se distinguen tres cámaras:
· En la cámara de purga se consume el aire y se volatilizan los lubricantes y aglutinantes al tiempo que se calienta lentamente el compactado.
· En la cámara de alta temperatura se produce la unión de las partículas de compactado por difusión en estado sólido. SINTERIZACIÓN.
· En la cámara de enfriamiento se hace descender la temperatura del producto ya sinterizado.
En todo el proceso, es fundamental mantener una atmósfera controlada para evitar la rápida oxidación de las pequeñas partículas metálicas al elevarse las temperaturas en presencia de oxígeno. Para ello, se emplean atmósferas reductoras basadas en hidrógeno, amoníaco disociado y nitrógeno.
En ocasiones, las fases de prensado y sinterizado se realizan simultáneamente en el llamado Prensado isostático en caliente. La compactación y el sinterizado se realizan en una única etapa encerrando herméticamente el polvo en un recipiente flexible y exponiéndolo seguidamente a alta temperatura y presión.
Tras la fase de sinterización, la pieza es extraída de su molde obteniéndose una pieza uniforme, sólida, compacta y con buenas prestaciones mecánicas, si bien en ocasiones deberá ser sometida a operaciones posteriores. Pueden obtenerse valores elevados de densidad en las piezas debido a la baja porosidad residual que queda en las piezas tras el proceso, con valores en muchos casos superiores al 99% de la densidad teórica del material completamente denso (sin porosidad).
5.4 Operaciones de acabado
Las operaciones térmicas y deformaciones producidas en el curso del sinterizado y el enfriamiento posterior obligan a someter algunas piezas terminadas a ligeras operaciones de rectificado para darles las dimensiones exactas.
En ocasiones se someten las piezas a un prensado posterior al sinterizado para reducir las tolerancias dimensionales de la pieza y obtener un mejor acabado superficial. Es lo que se conoce como acuñado. Si la deformación plástica es masiva, se suele hablar de forja pulvimetalurgia.
En otras ocasiones tras el sinterizado se realizan impregnaciones, bien con aceite, caso de los cojinetes, o bien con metal fundido cuando no se desee que el material sea poroso. También pueden someterse las piezas a tratamientos térmicos o termoquímicos como temples, revenido, cementación y tratamientos anticorrosivos.
- POSIBLES DEFECTOS Y LIMITACIONES DE LA PULVIMETARLURGIA.
Las principales limitaciones del uso de esta técnica de conformación vendrá condicionado:
a. Por las dimensiones de las piezas. La potencia de las prensas empleadas para estos procesos puede llegar hasta los 700Tm, lo que permite comprimir secciones de tan sólo 100 cm2 con pesos no superiores a 8 Kg.
b. Por las características mecánicas de las piezas sinterizadas, que son, por lo general inferiores a las obtenidas por los métodos de fundición y mecanizado corrientes. Pese a los nuevos avances en el prensado y sinterizado, siempre existirá porosidad en la pieza que le hará disminuir sus competencias mecánicas. Además en el caso de las prensas uniaxiales (tanto de simple como de doble émbolo) se obtendrán piezas con fuertes anisotropías ante esfuerzos mecánicos.
c. Por que alto precio de las instalaciones de estos sistemas. De esta forma sólo se empleará el conformado de polvos para muy altas series de productos o cuando no se puedan realizar la piezas por otro procedimiento.