PROCESAMIENTO DE PARTÍCULAS PARA METALES-METALURGIA DE POLVOS
- Las piezas de PM se pueden producir masivamente en forma neta o casi neta, eliminando o reduciendo la necesidad de procesos posteriores.
- Los procesos de la PM implican muy poco desperdicio de material: cerca de 97% de los polvos iniciales se convierten en producto. Esto se compara favorablemente con los procesos de fundición en los cuales las coladas, alimentadores y mazarotas son material de desperdicio en cada ciclo de producción.
- Debido a la naturaleza del material inicial en la PM, se pueden hacer piezas con un nivel específico de porosidad. Esta característica se presta a la producción de piezas de metal poroso, como rodamientos y engranes impregnados con aceite, así como filtros.
- Ciertos metales que son difíciles de fabricar por otros métodos se pueden formar por metalurgia de polvos. El tungsteno es un ejemplo: los filamentos de tungsteno que se usan en las lámparas incandescentes se fabrican con tecnología de PM.
- Ciertas combinaciones de aleaciones metálicas y cermets que no se pueden producir por otros métodos se pueden hacer por PM.
- La PM se compara favorablemente con la mayoría de los procesos de fundición en lo que se refiere al control dimensional de los productos. Las tolerancias rutinarias que se pueden lograr son de ±0.13 mm (±0.005 in).
- Los métodos de producción de PM se pueden automatizar para hacer más económica la operación.
Aunque se pueden producir piezas grandes hasta de 22 kg (50 lb), la mayoría de los componentes hechos por PM son menores de 2.2 kg (5 lb). Una colección típica de estas piezas se muestra en la figura 16.1. Las aleaciones de hierro, acero y aluminio constituyen el mayor tonelaje de metales que se usan en la PM. Otros metales incluyen cobre, níquel y metales refractarios como el molibdeno y el tungsteno. Los carburos metálicos como el carburo de tungsteno se incluyen frecuentemente dentro del campo de la metalurgia de polvos; sin embargo, como estos materiales son cerámicos, se estudiarán en el capítulo siguiente.
El desarrollo del campo moderno de la metalurgia de polvos se remonta al siglo XIX (véase nota histórica 16.1). El alcance de la tecnología moderna incluye no solamente la producción de piezas, sino también la preparación de los polvos iniciales. El éxito en la metalurgia de polvos depende en gran parte de las características de los polvos iniciales; este tema se analizará en la sección 16.1. Las secciones siguientes describen la producción de polvos, el prensado y el sinterizado. Hay una correlación estrecha entre la tecnología de la PM y los aspectos del procesamiento de cerámicos (capítulo 17). En cerámica los materiales de partida son también polvos, así que los métodos para caracterizar los polvos están estrechamente relacionados con la PM. Varios de los métodos de formado son también similares.
CARACTERÍSTICAS DE LOS POLVOS EN INGENIERÍA
Polvo es un sólido dividido en partículas finas. En esta sección se presentan las características de los polvos metálicos. Sin embargo, la revisión se aplica también a la mayoría de los polvos cerámicos.
Características geométricas
La forma de los polvos individuales se puede definir mediante los siguientes atributos: 1) tamaño de las partículas y su distribución, 2) forma y estructura interna de las partículas y 3) área superficial.
Tamaño de las partículas y su distribución El tamaño de las partículas se refiere a las dimensiones de los polvos individuales. Si la forma de la partícula es esférica, una sola dimensión es adecuada. Para otras formas, se necesitan dos o más dimensiones. Se dispone de varios métodos para obtener datos sobre el tamaño de las partículas. El método más común usa cribas de diferentes tamaños de malla. Se usa el término número de malla para referirse al número de aberturas por pulgada lineal de la criba. Un número de malla 200 significa que hay 200 aberturas por pulgada lineal. Como la malla es cuadrada, la cuenta es la misma en ambas direcciones, y el número total de aberturas por in2 es 2002 = 40 000. En consecuencia, un número alto de malla indica menor tamaño de partícula.
Las partículas se separan haciéndolas pasar a través de una serie de cribas de tama ños progresivamente menores de malla. 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. La segunda criba se vacía en la tercera y así sucesivamente, de manera que las partículas se seleccionan de acuerdo con su tamaño. Se puede designar a un cierto tamaño de polvo 230 por 200, lo cual indica que los polvos han pasado por la malla 200, pero no por la 230. Para simplificar la especificación, se dice que el tamaño de la partícula es de 200. 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, como se ilustra en la figura 16.2. Suponiendo que la dimensión limitante de la partícula es igual a la abertura de la criba, se tiene
donde PS = tamaño de partícula, in; MC = número de malla, aberturas por in lineal; y t w = grueso del alambre de la malla, in. La figura muestra cómo pasarían las partículas pequeñas a través de las aberturas, mientras que las grandes se quedarían retenidas. 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 superior de MC = 400 (aproximadamente) 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 microscopia y técnicas de rayos X.
Los tamaños típicos de las partículas que se utilizan en la metalurgia de polvos convencional (comprimido y sinterizado) varían entre 25 y 300 µm (0.001 y 0.012 in).1 El extremo alto de este rango corresponde a un número de malla de aproximadamente 65. El otro extremo es muy pequeño para poderse medir mediante el método de número de malla.
Forma y estructura interna de las partículas La forma de los polvos metálicos puede catalogarse en varios tipos; algunos de ellos se ilustran en la figura 16.3. Existen variaciones tanto en la forma de las partículas de una colección de polvos como en sus tamaños. Una manera simple y útil de medir la forma es la razón del aspecto, la razón de la dimensión máxima y la mínima de una partícula dada. La razón del aspecto para una partícula esférica es 1.0; sin embargo, para un grano acicular puede ser de 2 a 4. Se requieren técnicas microscópicas para determinar las características de la forma.
Cualquier volumen de polvos sueltos contendrá poros entre las partículas. Éstos se llaman poros abiertos porque son externos a las partículas individuales. Los poros abiertos son espacios dentro de los cuales puede penetrar un fluido, como agua, aceite o un metal fundido. Además hay poros cerrados, que son vacíos internos en la estructura de una partícula individual. La existencia de estos poros internos generalmente es mínima, y sus efectos, cuando existen, son menores; no obstante, pueden influir en las medidas de la densidad, como se verá posteriormente.
Área superficial Suponiendo que la forma de la partícula sea una esfera perfecta, su área A y su volumen V están dados por:
donde KS = factor de forma; y D en el caso general = diámetro de una esfera de volumen equivalente al de una partícula no esférica, mm (in). Entonces KS = 6.0 para una esfera. Para formas de partícula diferentes a la esférica, KS > 6.
De estas ecuaciones se puede inferir lo siguiente. A tamaños menores de partícula y factores de forma más altos (KS ), el área superficial será más alta 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 suministran una contracción más uniforme y mejores propiedades mecánicas en los productos finales de la PM.
Otras características
Otras características de los polvos en ingeniería incluyen fricción interparticular, características de flujo, compactado, densidad, porosidad, composición química y películas superficiales.
Fricción interparticular y características de flujo La fricción entre las partículas afecta la disposición del polvo a fluir con facilidad y a compactarse firmemente. Una medida común de la fricción interparticular es el ángulo de reposo, el cual es el ángulo formado por un montón de polvo cuando éste se vacía a través de un embudo angosto, tal como se muestra en la figura 16.4. Los ángulos más grandes indican mayor fricción entre partículas. Las partículas de menor tamaño por lo general muestran mayor fricción y grandes ángulos. Las formas esféricas producen la menor fricción interparticular, porque al desviarse de la forma esférica, se incrementa la fricción entre las partículas.
Las características de flujo son importantes durante el llenado del troquel y el pren - sa do. El llenado automático del troquel 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. Una medida común del flujo es el tiempo requerido para que una cierta cantidad de polvo (en peso) fluya a través de un embudo de tamaño estándar. 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 a los polvos pequeñas cantidades de lubricantes.
Empaquetamiento densidad y porosidad Las características de empaquetamiento de penden de dos medidas de densidad. Primero, la densidad real, que es la densidad del volumen verdadero del material. Ésta es la densidad del material cuando los polvos se funden en una masa sólida, cuyos valores se dan en la tabla 4.1. Segundo, la densidad volumétrica es la densidad de los polvos en el estado suelto después de vaciado; éste incluye el efecto de los poros entre las partículas. Debido a los poros, la densidad volumétrica es menor que la densidad real.
El factor de empaquetamiento es la densidad volumétrica dividida entre la densidad real. Los valores típicos para los polvos sueltos fluctúan entre 0.5 y 0.7. El factor de empaquetamiento depende de la forma y de la distribución de los tamaños de la partícula. Si están presentes polvos de varios tamaños, los polvos más finos se ajustarán entre los intersticios de los grandes, que de otra manera podrían ser tomados por el aire, lo que daría por resultado un factor de empaquetamiento más alto. Éste puede aumentarse también vibrando los polvos, lo cual ocasiona que se asienten más firmemente. Por último, se debe observar que la presión externa que se aplica durante la compactación, incrementa en gran medida el empaquetamiento de los polvos a través del rearreglo y deformación de las partículas.
La porosidad representa un camino alterno para considerar las características de empaquetamiento de un polvo. La porosidad se define como la razón del volumen de los poros (espacios vacíos) en el polvo, respecto al volumen volumétrico. En principio,
Porosidad + factor de empaquetamiento = 1.0 (16.6)
Este asunto se complica por la posible existencia de poros cerrados en algunas de las partículas. Si el volumen interno de estos poros se incluye en la porosidad, entonces la ecuación es exacta.
Composición química y películas superficiales La caracterización del polvo no sería completa sin una identificación de su composición química. Los polvos metálicos se clasifican como elementales; esto significa que consisten en un metal puro o prealeado, en donde cada partícula es una aleación. Se revisarán estas clases y los metales que se usan comúnmente en la PM más detenidamente en la sección 16.5.1.
Las películas superficiales son un problema en la metalurgia de polvos debido a la gran área por unidad de peso del metal cuando se trata con polvos. Las posibles películas incluyen óxidos, sílice, materiales orgánicos adsorbidos y humedad [5]. Por lo general, estas películas deben removerse antes de procesar la forma.
PRODUCCIÓN DE POLVOS METÁLICOS
En general, los productores de polvos metálicos no son las mismas compañías que hacen las piezas de PM. Los productores de polvo son los proveedores y las plantas que manufacturan los componentes a partir de polvos metálicos son los clientes. Por tanto es apropiado separar la revisión de la producción de polvos (esta sección) de los procesos que se usan para hacer productos a partir de la PM (las siguientes secciones).
Prácticamente cualquier metal puede reducirse a la forma de polvo. Hay tres métodos principales para producir comercialmente polvos metálicos, cada uno de los cuales implica consumo de energía para incrementar el área superficial del metal. Los métodos son: 1) atomización, 2) químicos y 3) electrolíticos [10]. Ocasionalmente se usan métodos mecánicos para reducir el tamaño de los polvos; sin embargo, estos métodos se asocian más comúnmente con la producción de polvos cerámicos que se tratarán en el capítulo siguiente.
Atomización
La atomización implica la conversión de un metal fundido en un rocío de pequeñas gotas que se solidifican formando polvos. Es el método más versátil y popular para producir polvos metálicos en la actualidad, y aplicable a casi todos los metales, aleaciones o metales puros. Hay muchas maneras de crear el rocío de metal fundido; varias de ellas se ilustran en la figura 16.5. Dos de los métodos se basan en la atomización con gas, en los que se utiliza una corriente de gas a alta velocidad (aire o gas inerte) para atomizar el metal líquido. En el inciso a de la misma figura, el gas fluye a través de una boquilla de expansión, succionando
el metal líquido de la fusión que se encuentra debajo y rociándolo en un recipiente. Las gotas se solidifican en forma de polvo. En un método parecido que se muestra en el inciso b de la misma figura, el metal fundido fluye por gravedad a través de una boquilla y se atomiza inmediatamente por chorros de aire. Los polvos metálicos resultantes, los cuales tienden a ser esféricos, se recolectan en una cámara situada debajo.
El método que se ilustra en el inciso c) es similar al b), excepto que se utiliza una corriente de agua a alta velocidad en lugar de aire. Éste se conoce como atomizado por agua y es el más común de los métodos de atomizado, particularmente apropiado para metales que funden por abajo de 1 600 ºC (2 900 ºF). El enfriamiento es más rápido y la forma del polvo resultante es más irregular que esférica. La desventaja de usar agua es la oxidación en la superficie de las partículas. Una reciente innovación usa aceite sintético en lugar de agua para reducir la oxidación. En ambos procesos de atomizado con aire o agua, el tamaño de las partículas se controla en gran parte por la velocidad de la corriente de fluido; el tamaño de partícula varía en relación inversa con la velocidad. V
arios métodos se basan en el atomizado centrífugo. Una versión es el método de disco rotatorio, mostrado en el inciso d de la figura, donde se vacía una corriente de me tal líquido en un disco que gira rápidamente y que rocía el metal en todas direcciones, pulverizándolo.
Otros métodos de producción
Entre otros métodos de producción de polvos se incluyen varios procesos de reducción química, métodos de precipitación y electrólisis. La reducción química comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales. Un proceso común consiste en la liberación de los metales de sus óxidos mediante el uso de agentes reductores como hidrógeno o monóxido de carbono. El agente reductor se produce para combinarlo con el oxígeno del compuesto y liberar el elemento metálico. Por este método se producen polvos de hierro, de tungsteno y de cobre. Otro proceso químico para polvos de hierro implica la descomposición del pentacarbonilo de hierro para producir partículas esféricas de alta pureza. Los polvos producidos por este método se ilustran en la fotomicrografía de la figura 16.6. Otros procesos químicos incluyen la precipitación de elementos metálicos de sus sales disueltas en agua. Los polvos de cobre, níquel y cobalto se pueden producir por este método.En la electrólisis se prepara una celda electrolítica en la cual la fuente del metal a pulverizar es el ánodo. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado, se mueve a través del electrólito y se deposita en el cátodo. El depósito se retira, se lava y se seca, obteniéndose un polvo metálico de alta pureza. Esta técnica se usa para obtener polvos de berilio, cobre, hierro, plata, tantalio y titanio.
PRENSADO CONVENCIONAL Y SINTERIZADO
Después de la producción de polvos metálicos, la secuencia convencional de la metalurgia de polvos consiste en tres pasos: 1) combinación y mezclado de los polvos, 2) compactación, en la cual se prensan los polvos para obtener la forma deseada, y 3) sinterizado, que implica calentamiento a una temperatura por debajo del punto de fusión para provocar la unión de las partículas en estado sólido y el fortalecimiento de la pieza. Estos tres pasos que algunas veces se aluden como operaciones primarias de la metalurgia de polvos se ilustran en la figura 16.7. En ocasiones también se ejecutan operaciones secundarias destinadas a mejorar la precisión dimensional, incrementar la densidad y para otros propósitos.
Combinación y mezclado de polvos
Para lograr buenos resultados en la compactación y el sinterizado, los polvos metálicos necesitan homogeneizarse por completo antes del proceso. Los términos combinación y mezclado se usan en este contexto. La combinación se refiere al intermezclado de polvos de la misma composición química, pero posiblemente con diferentes tamaños de partícula. 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.
Una ventaja de la tecnología de metalurgia de polvos es la oportunidad de combinar varios metales en aleaciones que sería difícil o imposible producir por otros medios. La diferencia entre mezclado y combinación no siempre es precisa en la práctica industrial.
El mezclado y la combinación se realizan por medios mecánicos. Algunas alternativas se ilustran en la figura 16.8; éstas son: a) por rotación en tambor, b) por rotación en un recipiente de cono doble, c) por agitación en un mezclador de tornillo y d) por agitación en un mezclador de paletas. En estos dispositivos hay más ciencia de la que se puede sospechar. Los mejores resultados se obtienen cuando se llenan entre 20% y 40% de su capacidad. Los recipientes se diseñan generalmente con deflectores internos u otras formas para impedir la caída libre durante el mezclado de polvos de diferentes tamaños, debido a que las variaciones en la velocidad de asentamiento de los distintos tamaños generan segregación, precisamente lo contrario de lo que se busca con la combinación. No es conveniente que los polvos se sometan a vibración, ya que esto también produce segregación.
Generalmente se añaden otros ingredientes a los polvos metálicos durante el paso de combinación o mezclado. Estos aditivos son: 1) lubricantes, como los estearatos de zinc y de aluminio en pequeñas cantidades para reducir la fricción entre las partículas y en las paredes del troquel durante la compactación; 2) aglutinantes, que se requieren en algunos casos para lograr una resistencia adecuada en las piezas prensadas pero no sinterizadas; y 3) desfloculantes, que inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus características de flujo durante el procesamiento subsecuente.
Compactación
En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un troquel. Los pasos en el ciclo de prensado se muestran en la figura 16.9. A la pieza de trabajo después de prensada se le llama compactado fresco; el término fresco significa que la pieza no está completamente procesada. Como resultado del prensado, la densidad de la pieza, llamada densidad fresca, es mucho más grande que la densidad volumétrica inicial. La resistencia fresca de la pieza es adecuada para el manejo cuando es prensada, pero mucho menor que la que se logra después del sinterizado.
La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un rempaquetamiento de los polvos en un arreglo más eficiente, eliminando los “puentes” que se forman durante el llenado, reduciendo el espacio de los poros e incrementando el número de puntos de contacto entre las partículas. Al incrementarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto interparticular aumente y entren en contacto partículas adicionales. Esto viene acompañado de una reducción posterior del volumen de los poros. La progresión se ilustra en la figura 16.10 para partículas iniciales de forma
esférica. También se muestra la densidad asociada, representada para las tres vistas como una función de la presión aplicada.
Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia de polvos son mecánicas, hidráulicas o una combinación de las dos. En la figura 16.11 se muestra una unidad hidráulica de 450 kN (50 ton). Debido a diferencias en la complejidad de las piezas asociadas a los requerimientos de prensado, las prensas se pueden clasificar en 1) prensado en una dirección, con prensas de acción simple; o 2) prensado en dos direcciones, con prensas de varios tipos, incluyendo las de arietes hidráulicos opuestos, de doble acción o de múltiple acción. La tecnología de las prensas comúnmente disponibles puede suministrar hasta diez acciones de control separadas para producir piezas de forma bastante compleja. Se examinará la complejidad de las piezas y otros aspectos de diseño en la sección 16.6.
La capacidad de una prensa para producción en PM se da generalmente en toneladas, o kN o MN. La fuerza requerida para el prensado depende del área proyectada de la pieza (área en el plano horizontal para una prensa vertical) multiplicada por la presión necesaria para compactar los polvos del metal; expresando esto en forma de ecuación,
F = Ap pc (16.7)
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 (en la escala absoluta). El término sinterizado en estado sólido o sinterizado en fase sólida se usa algunas veces para este sinterizado convencional debido a que el metal permanece sin fundir a la temperatura del tratamiento.
En opinión de los investigadores, la fuerza básica que mueve al sinterizado es la reducción de la energía superficial [5], [12]. El compactado fresco consiste en muchas partículas distintas que tienen su propia superficie; por tanto, el área superficial total contenida en el compactado es muy alta. Bajo la influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de las uniones entre las partículas; esto implica la reducción de la energía superficial. Mientras más fino sea el polvo inicial, más alta será la superficie del área total y más grande la fuerza que mueve al proceso.
La serie de dibujos en la figura 16.12 muestra en escala microscópica los cambios que ocurren durante el sinterizado de los polvos metálicos. El sinterizado implica transporte de masa para crear los cuellos y transformarlos en límites de grano. El principal mecanismo para que esto ocurra es la difusión; otro posible mecanismo es el flujo plástico. La contracción ocurre durante el sinterizado como resultado de la reducción del tamaño de los poros. Esto depende en gran medida de la densidad del compactado fresco, y ésta a su vez de la presión durante la compactación. Cuando las condiciones del procesamiento se controlan estrechamente, la contracción generalmente es predecible.
Dado que las aplicaciones de la PM involucran generalmente producciones medianas o altas, la mayoría de los hornos de sinterizado se diseñan con dispositivos mecanizados para el traslado de las piezas de trabajo durante el proceso. El tratamiento térmico consiste en tres pasos realizados en tres cámaras de hornos continuos: 1) precalentado, en el cual se queman los lubricantes y los aglutinantes, 2) sinterizado y 3) enfriado. El tratamiento se ilustra en la figura 16.13. Las temperaturas típicas y los tiempos de sinterizado se proporcionan en la tabla 16.1 para metales seleccionados.
En la práctica moderna del sinterizado se controla la atmósfera del horno. Los propósitos de la atmósfera controlada son: 1) proteger de la oxidación, 2) proporcionar una atmósfera reductora para remover los óxidos existentes, 3) suministrar una atmósfera carburizadora y 4) ayudar a la remoción de los lubricantes y aglutinantes que se usan en el prensado. Las atmósferas de los hornos de sinterizado comunes son: de gas inerte, basadas en nitrógeno, de amoniaco disociado, de hidrógeno y basadas en gas natural [5]. Las atmósferas al vacío se usan para ciertos metales, como los aceros inoxidables y el tungsteno.
Operaciones secundarias
Las funciones de las operaciones secundarias son varias, incluidas la densificación, el dimensionamiento, la impregnación, la infiltración, el tratamiento térmico y el acabado.
Densificación y dimensionamiento Numerosas operaciones secundarias se ejecutan para aumentar la densidad y mejorar la precisión, o para lograr formas adicionales en las piezas sinterizadas. El reprensado es una operación de prensado en la cual se aprieta la pieza en un troquel cerrado para aumentar la densidad y mejorar las propiedades físicas. El dimensionamiento es la compresión de una pieza sinterizada para mejorar su precisión dimensional. El acuñado es una operación de prensado sobre una pieza sinterizada para imprimir detalles en su superficie.
Algunas piezas sinterizadas requieren un maquinado posterior. Rara vez se utiliza el maquinado para dimensionar las piezas; más bien se usa para crear características geométricas que no se pueden lograr por prensado, como son cuerdas internas o externas, perforaciones laterales y otros detalles.
Impregnación e infiltración La porosidad es una característica única e inherente a la tecnología de metalurgia de polvos. Ésta se puede aprovechar para crear productos especiales, llenando el espacio disponible en los poros con aceite, polímeros o metales que tienen un punto de fusión más bajo que la base del metal en polvo.
Una aplicación alterna de la impregnación involucra a las piezas de la metalurgia de polvos, a las que se les debe ejercer una presión fuerte o impenetrable a los fluidos. En este caso, las piezas se impregnan con varios tipos de resinas de polímeros que ingresan en los espacios de los poros en forma líquida y luego se solidifican. En algunos casos, la impregnación de resina se utiliza para facilitar el procesamiento subsecuente, por ejemplo, para permitir el uso de soluciones de procesamiento (como los químicos para chapado) que de otra forma empaparían los poros y degradarían el producto, o mejorarían el maquinado de la pieza de la metalurgia de polvos.
La infiltración es una operación en la cual se llenan los poros de las piezas de PM con un metal fundido. El punto de fusión del metal de relleno debe ser menor que el de la pieza. El proceso implica calentar el metal de relleno en contacto con el componente sinterizado, de manera que la acción de capilaridad haga fluir al relleno dentro de los poros. La estructura resultante es relativamente no porosa y la pieza infiltrada tiene una densidad más uniforme, así como una tenacidad y una resistencia mejoradas. Una aplicación de este proceso es la infiltración con cobre de las piezas con PM de hierro sinterizado.
Tratamiento térmico y acabado Los componentes de polvos metálicos pueden tratarse térmicamente (capítulo 27) y terminarse (galvanoplastia o pintura, capítulo 29) por la mayoría de las operaciones que se usan en las piezas fabricadas por fundición y otros procesos de trabajo de metales. Debido a la porosidad de las piezas sinterizadas, se debe tener cuidado con algunos de estos tratamientos por ejemplo, no deben usarse los baños de sales para calentar estas piezas. Se pueden; aplicar a las piezas sinterizadas operaciones de chapeado y recubrimiento con fines de apariencia y resistencia a la corrosión. Se debe tener cuidado para evitar que las soluciones químicas queden atrapadas en los poros; frecuentemente se usan la impregnación y la infiltración para este propósito. Los chapeados comunes para piezas sinterizadas incluyen cobre, níquel, cromo, zinc y cadmio.
ALTERNATIVAS DE PRENSADO Y TÉCNICAS DE SINTERIZADO
La secuencia convencional de prensado y sinterizado es la más utilizada en la tecnología de la metalurgia de polvos. Los métodos para procesamientos adicionales se analizan en esta sección. Estos métodos se ubican en tres categorías: 1) métodos de compactación alternativa, 2) combinación de compactación y sinterizado, y 3) métodos alternativos de sinterizado.
Prensado isostático
Una característica del prensado convencional es que la presión se aplica uniaxialmente. Esto impone limitaciones sobre la forma de la pieza, ya que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección perpendicular a la aplicación de la presión. El prensado uniaxial produce también variaciones de densidad en la compactación, después del prensado.
En el prensado isostático, la presión se aplica en todas direcciones contra los polvos contenidos en el molde flexible; para lograr la compactación se usa la presión hidráulica. El prensado isostático puede hacerse de dos formas: 1) prensado isostático frío y 2) prensado isostático caliente. El prensado isostático frío (CIP, por sus siglas en inglés) es un compactado que se realiza a temperatura ambiente. El molde, hecho de caucho u otro material elastómero, se sobredimensiona para compensar la contracción. Se usa agua o aceite para ejercer la presión hidrostática contra el molde dentro de la cámara. La figura 16.14 ilustra la se cuencia del proceso en prensado isostático en frío. Las ventajas del CIP incluyen una den sidad más uniforme, herramientas menos costosas y mayor aplicación a corridas cortas de producción. Es difícil lograr una buena precisión dimensional en el prensado isostático debido a la flexibilidad del molde. En consecuencia, se requieren operaciones de formado y acabado antes o después del sinterizado, para obtener las dimensiones requeridas.
El prensado isostático caliente (HIP, por sus siglas en inglés) se lleva a cabo a alta presión y temperatura, usando como medio de compresión un gas que puede ser argón o helio. El molde que contiene los polvos se hace de lámina de metal para resistir altas temperaturas. El HIP realiza en un paso el prensado y la sinterización. A pesar de esta aparente ventaja, es un proceso relativamente costoso y sus aplicaciones parecen concentrarse actualmente en la industria aeroespacial. Las piezas de PM hechas por HIP se caracterizan por su alta densidad (porosidad cercana a cero), unión interparticular completa y buena resistencia mecánica.
Moldeo por inyección de polvos
El moldeo por inyección se asocia estrechamente con la industria de los plásticos (sección 13.6). Se puede aplicar el mismo proceso básico para formar piezas de polvos metálicos o cerámicos; la diferencia es que el polímero inicial contiene una alta proporción de materia particulada, típicamente entre 50% y 85% en volumen. En metalurgia de polvos, se usa el término moldeo por inyección metálica (MIM). El proceso más general es el moldeo por inyección de polvos (PIM, por sus siglas en inglés), que incluye polvos metálicos y cerámicos. En MIM, los pasos son los siguientes [6]: 1) los polvos metálicos se mezclan con un aglutinante apropiado; 2) se forman pelets granulares con la mezcla; 3) los pelets se calientan a la temperatura de moldeo, se inyectan en la cavidad de un molde y la pieza se enfría y retira del molde, 4) se procesa la pieza para remover el aglomerante mediante varias técnicas térmicas o por solvente; 5) la pieza se sinteriza y 6) se ejecutan las operaciones secundarias que se requieran.
El aglutinante actúa como un portador de partículas en el moldeo por inyección de polvos. Sus funciones son aportar características apropiadas de flujo durante el moldeo y sostener los polvos en la forma moldeada hasta el sinterizado. Los cinco tipos básicos de aglutinantes en PIM son: 1) los polímeros termofijos, como los fenólicos, 2) los polímeros termoplásticos, como el polietileno, 3) el agua, 4) los geles, 5) los materiales inorgánicos [6]. Los tipos que se usan con mayor frecuencia son los polímeros.
El moldeo por inyección de polvos es apropiado para formar piezas similares a las del moldeo por inyección de plásticos. Su costo no es competitivo para piezas de simetría axial simple, ya que en estos casos es adecuado el método de prensado convencional y sinterizado. El PIM parece más económico para pequeñas piezas complejas de alto valor. La contracción que acompaña a la densificación durante el sinterizado limita la precisión dimensional.
Laminado de polvos, extrusión y forjado
La laminación, la extrusión y el forjado son procesos volumétricos característicos del formado de metales (capítulo 19). Se describen en este contexto de la metalurgia de pol vos.
Laminación de polvos Los polvos pueden comprimirse en una operación de laminado para formar material metálico en tiras. El proceso se dispone comúnmente para operar de manera continua o semicontinua, como se muestra en la figura 16.15. Los polvos metálicos se compactan entre dos rodillos para formar una tira fresca con la que se alimenta directamente a un horno de sinterizado. Después se enfría, se lamina y se vuelve a sinterizar.
Extrusión de polvos La extrusión es un proceso básico de manufactura (sección 1.3.1). En la extrusión de polvos, el polvo inicial puede tener formas diferentes. En el método más popular, los polvos se colocan al vacío en una lata de lámina metálica hermética, se calientan y se extruyen junto con el recipiente. En otra variante, se preforman los tochos por un proceso de prensado convencional y sinterización, y después se extruyen en caliente. Estos métodos alcanzan un alto grado de densificación en los productos de PM.
Forjado de polvos El forjado es un proceso importante en el formado de metal (sección 1.3.1). En el forjado de polvos, la parte inicial es una pieza de metalurgia de polvos preformada mediante prensado y sinterizado al tamaño apropiado. Las ventajas de este método son: 1) la densificación de la pieza de PM; 2) el costo de las herramientas es más bajo y se requieren pocos “golpes” durante la forja (y por tanto mayor velocidad de producción), ya que la pieza inicial está preformada y 3) poco desperdicio de material.
Combinación de prensado y sinterizado
Prensado caliente La disposición de un proceso de prensado caliente uniaxial es muy similar al prensado de PM convencional, excepto que el calor se aplica durante la compactación. El producto resultante es generalmente duro, denso, fuerte y bien dimensionado. A pesar de estas ventajas, el proceso presenta ciertos problemas técnicos que limitan su adopción. Los principales problemas son: 1) la selección del material del molde que pueda soportar las altas temperaturas de sinterización, 2) los largos ciclos de producción que se requieren para realizar la sinterización y 3) el calentamiento y el mantenimiento de un control atmosférico en el proceso [1]. El prensado caliente tiene algunas aplicaciones en la producción de productos sinterizados de carburo usando moldes de grafito.
Sinterizado por chispas Es una alternativa que combina el prensado y el sinterizado, pero que supera algunos de los problemas del prensado caliente. El proceso consiste en dos pasos básicos [1], [13]: 1) los polvos o un compactado fresco preformado se colocan en un troquel; y 2) los punzones superior e inferior, que también sirven como electrodos, comprimen la pieza aplicando una corriente eléctrica de alta energía que al mismo tiempo quema los contaminantes de la superficie y sinteriza los polvos, y forma una pieza densa y sólida en cerca de 15 s. El proceso se ha aplicado a varios metales.
Sinterizado en fase líquida
El sinterizado convencional (sección 16.3.3) es un sinterizado en estado sólido, en el cual el metal se sinteriza a una temperatura por debajo de su punto de fusión. En sistemas que involucran una mezcla de dos polvos metálicos, donde existe una diferencia de temperatura de fusión entre los metales, se usa un tipo alterno de sinterización, llamado sinterizado en fase líquida. En este proceso, se mezclan los dos polvos iniciales y luego se calientan a una temperatura lo suficientemente alta para fundir el metal de más bajo punto de fusión, pero no el otro. El metal fundido moja perfectamente las partículas sólidas, creando una estructura densa con uniones fuertes entre los metales una vez solidificados. Un calentamiento prolongado puede generar la aleación de los metales por una disolución gradual de las partículas sólidas en el metal líquido o la difusión del metal líquido en el sólido, dependiendo de los metales involucrados. En cualquier caso, el producto resultante está completamente densificado (sin poros) y es fuerte. Ejemplos de sistemas que involucran sinterización en fase líquida son: Fe-Cu, W-Cu y Cu-Co [5].
MATERIALES Y PRODUCTOS PARA METALURGIA DE POLVOS
Las materias primas para el procesamiento en metalurgia de polvos son más costosas que para otros trabajos de metal, debido a la energía adicional requerida para reducir el metal a polvo. Por consiguiente, la metalurgia de polvos solamente es competitiva en ciertos tipos de aplicaciones. En esta sección se identificarán los materiales y productos que parecen más apropiados para la metalurgia de polvos.
Materiales para la metalurgia de polvos
Desde un punto de vista químico, los polvos metálicos se pueden clasificar en elementales y prealeados. Los polvos 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. Las herramientas de acero son un ejemplo; la metalurgia de polvos permite combinar ingredientes que son difíciles o imposibles por las técnicas tradicionales de aleación. El uso de mezclas de polvos elementales facilita el procesamiento para formar una aleación, aun cuando no involucre aleaciones especiales. Ya que los polvos son metales puros, no son tan fuertes como los metales prealeados. Por tanto se deforman más fácilmente durante el prensado, así que la densidad y la resistencia fresca son más altas que los compactados prealeados.
En los polvos 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 polvos elementales y prealeados de uso más común en orden aproximado de tonelaje son: 1) el hierro, con mucho el metal más usado en PM, mezclado frecuentemente con grafito para hacer piezas de acero, 2) el aluminio, 3) el cobre y sus aleaciones, 4) el níquel, 5) el acero inoxidable, 6) el acero de alta velocidad y 7) otros materiales de metalurgia de polvos como el tungsteno, el molibdeno, el titanio, el estaño y los metales preciosos.
Productos de la metalurgia de polvos
La ventaja sustancial de la tecnología de polvos es que las piezas se hacen en forma neta o casi neta; requieren poco o ningún formado adicional después de procesarse en metalurgia de polvos. Algunos de los componentes comúnmente fabricados mediante metalurgia de polvos son engranes, rodamientos, catarinas, sujetadores, contactos eléctricos, herramientas de corte y varias piezas de maquinaria. La producción en grandes cantidades de engranes y rodamientos se adapta particularmente bien a la metalurgia de polvos por dos razones: 1) tienen una forma definida principalmente en dos dimensiones (la superficie superior tiene cierta forma y hay pocas o ninguna forma lateral) y 2) se necesita porosidad en el material para servir como depósito de lubricantes. Mediante la metalurgia de polvos también se pueden hacer piezas más complejas con forma tridimensional, añadiendo operaciones secundarias como maquinado para completar la forma de las piezas prensadas y sinterizadas, y observando ciertos lineamientos de diseño.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN METALURGIA DE POLVOS
El uso de técnicas de la metalurgia de polvos es generalmente apropiado para cierta clase de situaciones de producción y diseño de piezas. En esta sección se intenta definir las características de estas aplicaciones donde la metalurgia de polvos es más apropiada. Se presenta primero un sistema de clasificación para piezas de metalurgia de polvos, y luego se ofrecen algunos lineamientos sobre el diseño de los componentes.
Sistema de clasificación de piezas
La Metal Powder Industries Federation (MPIF) define cuatro clases de diseño de piezas de metalurgia de polvos, atendiendo al nivel de dificultad en el prensado convencional. El sistema es útil porque indica alguna de las limitaciones que deben hacerse en las formas cuando se usan los procesamientos convencionales de metalurgia de polvos. Las cuatro clases de piezas se ilustran en la figura 16.16.
Lineamientos para el diseño de piezas en metalurgia de polvos
El sistema de clasificación de la MPIF suministra algunos lineamientos aplicables a la forma de las piezas, apropiada a las técnicas de prensado convencional en metalurgia de polvos. En los siguientes lineamientos se ofrecen sugerencias de diseño adicionales, recopiladas de [2], [10] y [13].
- La economía de los procesamientos mediante metalurgia de polvos usualmente requiere grandes cantidades de piezas para justificar el costo del equipo y las herramientas especiales necesarias. Se sugieren cantidades mínimas de 10 000 unidades [13], aun cuando hay excepciones.
- La capacidad de fabricar piezas con un nivel controlado de porosidad es una característica única de la metalurgia de polvos. Son posibles porosidades hasta de 50%.
- La metalurgia de polvos se puede usar para hacer piezas de metales y aleaciones inusuales, materiales que podrían ser difíciles o imposibles de producir por otros medios.
- La forma de la pieza debe permitir su remoción del troquel después del prensado; esto significa en términos generales que la pieza debe tener lados verticales o casi verticales, aunque se pueden hacer escalonados como sugiere el sistema de clasificación de la MPIF (figura 16.16). Deben evitarse características de diseño como muescas y perforaciones laterales como las que se muestran en la figura 16.17. Son permisibles las muescas y perforaciones verticales, como las de la figura 16.18, porque no interfieren con la remoción. Las perforaciones verticales pueden hacerse de sección transversal no redonda (por ejemplo, cuadradas o estriadas) sin aumentar significativamente las herramientas o las dificultades de procesamiento.
- Las cuerdas roscadas no se pueden fabricar en metalurgia de polvos; si se necesitan, deben maquinarse en la pieza ya tratada por PM.
- Los chaflanes y esquinas redondeadas son posibles en el prensado de metalurgia de polvos, como se muestra en la figura 16.19. Cuando los ángulos son muy agudos se encuentran problemas con la rigidez de los punzones.
- El espesor de la pared debe tener un mínimo de 1.5 mm (0.060 in) entre dos perforaciones o entre una perforación y la pared exterior de la pieza, como se indica en la figura 16.20. El diámetro mínimo recomendado de la perforación es de 1.5 mm (0.060 in).
REFERENCIAS
[1] Amstead, B. H., Ostwald, P. F. y Begeman, M.L., Manufacturing Processes, 8a. ed., John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1987.
[2] Bralla, J. G.(ed.), Design form Manufacturability Handbook, 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1998.
[3] Bulger, M., “Metal Injection Molding,” Advanced Materials & Processes, marzo de 2005, pp. 39-40.
[4] Dixon, R. H. T. y Clayton, A., Powder metallurgy for Engineers, The Machinery Publishing Co. Ltd., Brighton, U.K., 1971.
[5] German, R. M., Powder Metallurgy Science. 2a. ed., Metal Powder Industries Federation, Princeton, N. J., 1994.
[6] German, R. M., Powder Injection Molding, Metal Powder Industries Federation, Princeton, N. J. 1990.
[7] Johnson, P. K., “P/M Industry Trends in 2005”, Advanced Materials & Processes, marzo de 2005, pp. 25-28.
[8] Metals Handbook, 9a. ed., vol. 7. Powder Metallurgy. American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1984.
[9] Pease, L. F., “A Quick Tour of Powder Metallurgy”, Advanced Materials & Processes, marzo de 2005, pp. 36-38.
[10] Powder Metallurgy Design Handbook, Metal Powder Industries Federation, Princeton, Nueva Jersey, 1989.
[11] Schey, J. A., Introduction to Manufacturing Processes, 3a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1999.
[12] Waldron, M. B. y Daniell, B. L., Sintering, Heyden, Londres, U. K., 1978.
[13] Wick, C., Benedict, J.T. y Veilleux, R. F. (eds.), Tools and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. II, Forming. Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, Mich. 1984.
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