Tema 3 - Muy buenos apuntes, los recomiendo para aprobar. Si no usas estos apuntes será PDF

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Tema 3. Tecnologías de materiales metálicos y cerámicosTecnología de polvosVentajas:- Empleo en metales con elevado punto de fusión y baja ductilidad- Elimina la pérdida de material- Buen control dimensional- Se puede emplear en un amplio rango de aleaciones- Técnica eficiente en términos de coste y...

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Tema 3. Tecnologías de materiales metálicos y cerámicos Tecnología de polvos Ventajas: -

Empleo en metales con elevado punto de fusión y baja ductilidad Elimina la pérdida de material Buen control dimensional Se puede emplear en un amplio rango de aleaciones Técnica eficiente en términos de coste y energía

Desventajas: -

Mayores costes iniciales que otras técnicas Presencia de porosidad residual Menor ductilidad Propiedades mecánicas ligeramente inferiores Existen ciertas limitaciones en la complejidad de la geometría de la pieza

La tecnología de polvos se basa en la obtención de piezas/elementos metálicos/cerámicos a partir de polvo metálico/cerámico.

Obtención del polvo 

Atomización (gas, agua) Reacción química (descomposición de óxidos) Electrodeposición Mecánicos (molienda de alta energía y aleación mecánica)

Atomización: o

o

Agua: se produce un enfriamiento más rápido, lo que produce un cambio en las propiedades finales de la pieza. Se obtienen geometrías más irregulares. Se puede producir templado al enfriarlo y se puede oxidar. Posible etapa de reducción posterior, tratamiento térmico y molienda. Tamaño de partícula reducido, modificable. Gas: todo lo contrario a la de agua. Se obtienen partículas más esféricas, no se produce ni oxido ni templado. Menor velocidad de enfriamiento. Atmósfera inerte. Tamaño de partícula modificable.

Otros procesos de fabricación de polvo:

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Atomización centrífuga: se usa un giro para formar la gota. Electrodeposición: se forma una pila y en el cátodo se reduce lo que tengo en solución. Se forma una capa porosa que se desprende y se forma el polvo.

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Reacción química: tengo polvo de un material, provoco una reacción química, y produzco polvo de otro material. Se hace pasar una corriente gaseosa de otro elemento al polvo. El gas difunde hacia dentro de las partículas, por lo que si no se deja el suficiente tiempo las partículas no serán homogéneas.

Procesos mecánicos

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Operación primaria: se parte del material para sacar polvo. Operación secundaria: ya tengo el polvo y cambio sus características.

Molienda Es el proceso mecánico más típico. Se meten en un tambor las partículas y se hacen girar. Estas partículas se pueden deformar plásticamente, se pueden soldar entre ellas o se pueden fracturar. En este histograma si la curva es más ancha querrá decir que el tamaño de las partículas es más desigual entre ellas. Cuando es más estrecho partículas tendrán un tamaño parecido.

las

Cuando lleguemos a un determinado tiempo el tamaño de la partícula variará menos. Si enfrío las partículas se volverán más frágil y se fracturarán. La deformación en frío disminuye dureza y aumenta fragilidad.

Aleación mecánica -

Sistemas dúctil-dúctil: dos materiales dúctiles que tras deformarlos durante horas terminan compactándose en uno único. Sistemas dúctil-frágil: se meten un material dúctil y otro frágil. El dúctil se deforma y el cerámico se fractura uniéndose al dúctil.

Parámetros a controlar en el proceso:

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Polvo de partida Tipo de molido y medio de molienda Temperatura y atmósfera Relación masa polvo-bolas (tiempo) Velocidad molienda Tiempo de molienda

Geometría/morfología -

Tamaño: cuanto menor sea el tamaño de la partícula, mayor densidad aparente tendrá el polvo al caer. Forma: o Equiaxiales: forma regular con ángulos rectos. o Irregulares: distintos ejes. Ocupan más volumen al caer al dejar más aire entre ellos. Densidad aparente menos.

Esta característica tendrá influencia sobre el llenado de los moldes, flujo del polvo, compresibilidad. Superficie especifica: es muy importante para la sinterización. Si disminuimos el tamaño de una partícula manteniendo la misma forma, la superficie específica aumenta. Si la textura superficial por donde circula el polvo es lisa, el flujo de polvo será mejor. El polvo muy fino tiene muchas interacciones entre sus partículas y fluye peor. A mayor superficie específica el polvo fluye, pero al haber más interacciones.

Propiedades físicas – flujo de polvo

Propiedades físicas – densidad -

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Densidad aparente: densidad del polvo según cae. Densidad de polvo vibrado: densidad del polvo haciendo vibrar el recipiente donde está (para acomodar el polvo). Densidad aparente < densidad vibrado. Densidad en verde: densidad después de compactar la pieza. Densidad del polvo: densidad solo de una partícula de polvo. Densidad de polvo > densidad aparente y vibrado.

Curva de compresibilidad del polvo: me dice como es la densidad en verde en función de la presión de compactación. A mayor presión de compactación mayor densidad en verde.

Eje y izquierda: densidad absoluta, que me da el valor absoluto de la densidad. Eje y derecha: densidad porcentual, que me dan un porcentaje de la densidad, la multiplico por la densidad teórica y la obtengo.

Es la más sencilla. Se realiza solo sobre un eje (vertical). Punzones (upper punch), troquel o matriz (feed shoe). En el acercamiento de las partículas se produce transferencia de polvo. Al compactar el polvo se produce deformación plástica y elástica. Unión en frío de las partículas. Tipos de prensas (compactación Uniaxial):

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Prensa simple efecto: sistema de prensa que aplica presión por un lado. Prensa doble efecto: se usan sistemas hidráulicos. Se coloca una pieza encima y otra debajo del polvo. Matriz flotante: solo aplico presión por arriba, pero tiene muelles en la parte inferior que, al ir aplicando presión imita el efecto de la prensa doble. El polvo se compactará con menor presión por abajo. Prensa multinivel: Varios juegos de punzones gobernados por los diferentes platos. Se nivela la presión que se ejerce.

Restricciones compactación uniaxial:

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5 – 6 toneladas de fuerza prensado por cada cm2 de área proyectada. Secciones de las piezas limitadas Dificultades para ejercer una presión homogénea en piezas muy esbeltas Las secciones delgadas pueden causar problemas durante el llenado. Tamaño de partícula Control de las presiones ejercidas por los punzones

Compactación con polvos precalentados: mejores propiedades mecánicas en verde. Posibilidad de mecanizado previo a la etapa de sinterizado. Se calientan los granos antes de compactar, por lo que serán más dúctiles y densificarán más. Características:

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Menor tamaño de poro y forma redondeada Distribución más homogénea de densidades Mayor densidad en verde Menor variación dimensional Mejores propiedades en verde

Compactación isostática: presurización de la pieza para la compactación. No hay fricción. Es un proceso discontinuo. Se necesita un molde impermeable y flexible para que a medida que se comprima la pieza el molde se adapte. Mayor versatilidad en geometría. Mayor uniformidad de las propiedades. Mayores densidades en verde. Es lento. Menor tolerancia dimensional.

 

En frío (con agua) En caliente (con gas). El molde deberá ser de aluminio fino, por ejemplo, para aguantar las temperaturas.

Etapa de sinterización 

 

Tratamiento térmico mediante el cual se favorece la unión entre partículas a través de fenómenos de transporte de masa lo que se traduce en una densificación mejorándose la resistencia y otras propiedades. El tratamiento se lleva a cabo a una temperatura menor que la temperatura de fusión del principal constituyente. Se eleva la temperatura por debajo del punto de fusión. Los poros se van cerrando.

Fenómenos que suceden en la superficie durante el sinterizado:

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Difusión superficial Difusión en volumen Difusión en fase vapor Difusión en borde de grano Difusión en volumen Flujo plástico

Me interesa mayor superficie, por lo que el tamaño de partícula será menor. Sinterización en fase líquida (LPS): Se podrá realizar si no funde el constituyente principal.

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Activación de la sinterización para conseguir densidades más altas Se favorece la difusión por disolución parcial del sólido Control de la porosidad secundaria Se requiere control de la fase líquida formada para que no se pierda la estabilidad dimensional Permite la obtención de materiales compuestos complejos de obtener por colada

Parámetros del proceso de sinterización Temperatura, tiempo, atmósfera, composición, contenido lubricante, tamaño de partícula inicial, velocidad calentamiento y enfriamiento.

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Si aumento la temperatura favorezco la sinterización Si elevo mucho la temperatura al principio el tamaño de grano aumentara, teniendo peores propiedades al final. Habrá que controlar la atmósfera para que no se produzca oxidación. Si hay un exceso de lubricante se realizará una primera etapa a menor temperatura para eliminarlo.

Hornos empleados en el sinterizado

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Hornos continuos: cinta, empujadores, rodillos. Hornos discontinuos: mufla, vacío. Hay mejor control de la atmósfera si hay que aplicar algún gas.

Tecnología de polvos en materiales cerámicos

El polvo cerámico tendrá una densidad en verde menor

Slip casting (moldeo en barbotina): molde poroso al que se añade el polvo cerámico mezclado con un líquido. El molde succiona la mezcla y deja una costra hueca en las paredes que es la pieza. Factores a tener en cuenta:

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Tamaño de partícula Distribución del tamaño de partícula Material y porosidad del molde Viscosidad del “slurry” compuesto acuoso Dispersión de las partículas

Tape casting (fundición de cinta): se tiene la mezcla como en un cubo con un orificio en la parte inferior que permite extender la mezcla en una superficie plana para secarla con calor.

Powder injection molding PIM (moldeo por inyección de polvo): Se usa principalmente para cerámicos y metales. Inyección de una mezcla de polvo con un binder o agente aglutinante. Se mete la mezcla en una tolva, se funde y se inyecta. Se pueden hacer formas complejas. Binde-Agente aglomerante: mezcla de polímeros (polietileno, polietilenglicol, polimetilmetacrilato, polipropileno) , ceras (parafinas), dispersantes y surfactantes

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Varias posibilidades para la eliminación (térmica, eliminación con disolventes). Destaca la eliminación térmica. Calentamiento de la pieza a elevada temperatura bajo atmósfera controlada. Problemática: o Evitar al máximo distorsiones en la forma de la pieza o Posibilidad de generación de grietas si no se tienen en cuenta las condiciones de procesado (paredes de espesor uniforme, mantener presión, entre otras) Facilitar con la geometría la eliminación del binder. Orificios, refuerzos en lugar de paredes gruesas, etc.

Prensado isostático en caliente (HIP) -

Se favorece compactar en caliente Buena distribución de presiones Materiales con una mayor dureza Menor control dimensional Discontinuidad del proceso Equipamiento más caro

Sinterización  

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Por reacción: se aprovecha el ciclo de sinterización para provocar reacción química, se añaden dos polvos de compuestos distintos para obtener uno nuevo. En estado sólido: o Baja sinterabilidad en muchos casos o El coeficiente de difusión es, en general, más bajo que en metales o Se necesitan polvos de tamaño muy pequeño. Mayor energía superficial. Aglomeración o Temperaturas elevadas requeridas o Atmósferas inertes o Suelen requerir aditivos para mejorar la sinterabilidad En fase líquida: o Cerámicas con mejor tenacidad a fractura o Permite la sinterización a temperaturas más bajas o Aditivos: Generalmente óxidos metálicos teniendo en cuenta que no descompongan al material a sinterizar

Técnicas de moldeo por colada

Ventajas:

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Permite la fabricación de piezas complejas (con cavidades y zonas huecas) Mayor versatilidad en tamaños de las piezas Producción en grandes cantidades permitida Coste variable pero relativamente más bajo que en otras técnicas Reducción del número de componentes

Desventajas:

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Generalmente se obtienen propiedades inferiores a las obtenidas por Cierta anisotropía Menor precisión dimensional Cierto número de defectos de colada (segregaciones, porosidad) Calidad superficial variable (dependiendo del molde) Elevado coste inicial

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Mazarota: reserva de metal fundido para compensar y rellenar cuando la pieza contrae. Deberá solidificar después que la pieza.

Moldes permanentes:

normalmente de metal. Caros. Acabados superficiales muy buenos en comparación con los desechables (de arena). Conductividad térmica más alta, mayor velocidad de enfriamiento, menor tamaño de grano, mayor dureza y resistencia de la pieza final. Se añaden capas protectoras para que el molde no erosione. Fundición a presión (die casting): Inyección del metal fundido bajo la acción de presión para un llenado a mayor velocidad. MATERIALES: Muy empleado en aleaciones de aluminio, zinc, magenesio y cobre. MOLDE: Presión, transmisión de calor, facilidad para la extracción de la pieza. SISTEMA DE PRESIÓN: Controlar velocidad y aceleración para controlar el flujo durante el llenado. CONSIDERACIONES: Reactividad con el sistema hidráulico de presión, pérdidas de temperatura durante la inyección, eliminación del gas de los conductos. Vida limitada del molde debido al desgaste (erosión), agrietamiento. Proceso en cámara caliente: todo el proceso de inyección se encontrará en cámara caliente. Presiones más bajas que las de cámara fría (1530MPa). Generalmente usado en metales con menor punto de fusión (zinc, magnesio, estaño o plomo). Ciclos de procesado rápidos (200 hasta varios miles por hora) dependiendo del componente y el material.

Proceso en cámara fría: el sistema de inyección no está calefactado. Presiones más elevadas durante la fabricación (hasta 150 Mpa). Generalmente se usa para aleaciones con un punto de fusión algo superior (aluminio, cobre, o incluso algunas aleaciones de magnesio).

Colada centrífuga : Piezas con simetría cilíndrica (anillos, tubos, camisas de cilindro motor). La forma externa se puede variar mediante variaciones en el molde. Problemas asociados a impurezas de diferente densidad. La velocidad de giro puede variar la forma de la pieza obtenida final.

Semicentrífuga: Piezas de fundición sólidas. Mediante rotación se rellena la cavidad. Parte central con menor calidad por lo que se necesitará un mecanizado en esa zona. Centrifugada: La fuerza centrífuga obliga al material fundido a rellenar cavidades situadas en los extremos. No son piezas de revolución. Se requiere menos velocidad que para la centrífuga pura.

Squeeze casting -

Solidificación de piezas a muy alta presión (55 – 100 MPa). Los gases se mantienen en solución, elevado contacto matriz/metal, facilidad de la alimentación. El sistema incluye una matriz, punzón y eyector. Mayor facilidad para tener un buen detalle acabado superficial y rellenar formas complejas. Fácilmente automatizable.

Parámetros a controlar: volumen de fundido, temperatura de utillaje, presión ejercida, temperatura de colada, tiempo, lubricación.

Molde de arena -

Uno de los procesos más utilizados Gran versatilidad. Tamaño, número de piezas, tipos de aleaciones permitidas. Requiere de un patrón o modelo previo (plástico, metal u otro material). Patrones sólidos o divididos. El patrón puede requerir de un corazón o núcleo “core” si hay una cavidad interna vaciada. Pueden requerir soportes para sujetarlos (sujetadores). Se trabaja a temperaturas muy elevadas. La forma y tamaño de grano son muy importantes para el acabado superficial. Uso de aglutinantes para compactar la arena. Se usa compactación neumática, por proyección, manual. Baja resistencia, permeabilidad y estabilidad térmica.

Moldeo a la cera perdida Se realiza un molde de cera con la forma de la pieza final. Se encastran en un soporten y se meten en un baño de barro. Se seca, se mete en un horno, y la cera se funde y cae, quedando un molde de barro hueco. Se rellena el molde de barro con metal y el barro se desprenderá.

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Buenos resultados en cuanto a: calidad superficial, tolerancia dimensional y variabilidad de aleaciones y formas posibles. Número elevado de pasos que complican el proceso. Limitaciones en coste, tiempo y tamaño de las piezas. Al emplear cera, se puede reutilizar.

Colada continua: se vierte el metal, se enfría, se saca, y se vuelve a rellenar.

Proceso de fundido: Elevar a una temperatura (T) por encima de la temperatura de fusión (Tm). La diferencia de temperatura se denomin “sobrecalentamiento”. Durante el tiempo que el metal está fundido pueden producirse reacciones que den lugar a defectos en el material final (reacciones con el oxígeno, gas disuelto en el metal fundido). Consumo energético: Q1(calor específico sólido)+Q2(calor latente)+Q3(calor específico líquido) Colabilidad: como de fácil rellena el metal fundido el molde.

Nucleación: cunado en un fundido se crea grano que empieza a crecer debido a las rápidas fluctuaciones locales. 

Nucleación homogénea: no existen lugares preferenciales para la nucleación.

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Requiere un subenfriamiento. Se requiere un alto subenfriamiento lo que afectará a la velocidad de nucleación, siendo esta más lenta. Nucleación heterogénea: impurezas, paredes del molde. Proporcionan lugares con una menor energía para nuclear. Son los lugares más comunes para la nucleación. Son los lugares más comunes para la nucleación.

Parámetros de la solidificación:

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Temperatura de colada: puede haber sobrecalentamientos cuando caliento la pieza por encima de la temperatura de fusión del material. Tiempo de solidificación. Velocidad de enfriamiento. Rango de solidificación: el proceso en el que empieza a solidificar y tardo un tiempo en completarse.

Microestructura de las piezas de colada

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Zona equiaxial exterior (chill zone): primera zona que enfría. Heterogénea. Se produce un enfriamiento más lento por la zona central. Los granos crecen en sentido opuesto a la disipación de calor. Zona equiaxial interior: se produce nucleación homogénea. Zona columnar: en esta zona hay granos alargados perpendiculares a las paredes del molde.

Anisotropía: granos en una misma dirección por lo que las propiedades se verán afectadas al cortarlos. Isotropía: granos en direcciones aleatorias por lo que las propiedades no se verán afectadas. Defectos en colada Dos consecuencias principales: consideraciones estéticas, reducción de propiedades.

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Cavidades, discontinuidades, superficie defectuosa, fallos dimensionales, inclusiones, fundición incompleta, proyecciones metálicas.

Contracción Se puede producir durante el enfriamiento y cambio de estado. Una excepción es la fundición gris que expande al solidificarse. Se pueden producir rechupes debido a la contracción. Pueden ser macrorrechupes (contracción de una gran cantidad de masa) o microrrechupes (contracción de una pequeña masa, no genera poros). Los rechupes se pueden evitar mediante: -

Utilización de enfriadores externos e internos en moldes de arena: introduciendo un material que conduzca bien el calor para que lo evacúe. Modificaciones del material del molde, Presión isostática en caliente: se produciendo presión para ir compensando el rechupe y que desaparezca.

Depende de por donde se evacúe el calor el rechupe aparecerá en distintas posiciones.

Agrietamiento en caliente: La pieza no puede contraer libremente durante el enfriamie...