Tema 7. Pulvimetalurgia PDF

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.Apuntes de fabricación. Profesora Gema. Sirven para los test parciales de la asignatura....

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INGENIERÍA DE FABRICACIÓN

PULVIMETALURGIA

Pulvimetalurgia

Tema 7 PULVIMETALURGIA

7.1 Introducción Aunque 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. Actualmente se fabrica una gran cantidad de componentes mediante este proceso [Figura 7.1.], si bien los inicios de esta tecnología se remontan a la antigüedad, cuando ya se utilizaban polvos de oro, cobre y óxidos de metales para uso decorativo, bases de pinturas o para la fabricación de herramientas. El proceso actual data de principios del siglo XIX, cuando un ingeniero inglés aplicó presión en frío y sinterizó polvo de platino para producir platino dúctil. Posteriormente, se fabricaron rodamiento autolubricantes y, hacia 1900, tungsteno, material que, por su elevado punto de fusión y sus especiales propiedades, no se podía procesar por otros métodos.

Figura 7.1. Piezas obtenidas por pulvimetalurgia

7.2

Pulvimetalurgia

Posteriormente se inició la fabricación de materiales superduros para herramientas, como los carburos cementados, llegando al momento actual, en el que la metalurgia de polvos es una realidad industrial, lo suficientemente desarrollada como para intervenir de forma predominante en la generación de materiales avanzados que permiten la obtención de componentes de difícil fabricación, con una notable calidad y en producciones elevadas, aplicados, especialmente, en la industria aeronáutica y en la producción de energía. Las etapas que comprende el proceso de pulvimetalurgia son: 1.

Producción del polvo

2.

Mezclado del polvo y fabricación de la matriz

3.

Compresión del polvo

4.

Aplicación de calor

En la Figura 7.2 se muestra el esquema de los procesos y operaciones, según las etapas descritas. Las propiedades finales se ven afectada por el ciclo calor-presión. Prensado Laminado Prensado isostático Extrusión, etc Atomización Reducción Deposición electrolítica Trituración, etc.

COMPACTACIÓN EN FRÍO

POLVOS METÁLICOS

SINTERIZADO

OPERACIONES SECUNDARIAS Y DE ACABADO

MEZCLADO

Aditivos Lubricantes

Atmósfera al vacío

COMPACTACIÓN EN CALIENTE

Acuñado Forjado Mecanizado Impregnación Infiltración, etc

Prensado isostático

Figura 7.2. Secuencia de operaciones e identificación de procesos

Las ventajas y limitaciones que ofrece este tipo de conformado se recogen en la siguiente tabla [Tabla 7.1.]. Tabla 7.1. Ventajas y limitaciones de los procesos pulvimetalúrgicos VENTAJAS

LIMITACIONES

Genera la forma final, o casi final, eliminando la necesidad de operaciones de acabado

Los equipos y herramientas son muy costosos, por lo que se precisan elevados niveles de producción

Apenas se producen desperdicios, aprovechándose casi el 97% del producto inicial

El coste del polvo metálico es muy elevado, así como su manipulación y almacenaje

Se pueden fabricar componentes con un nivel específico de porosidad

Existen limitaciones de forma, debido a la dificultad en la fluencia del material.

7.3

Pulvimetalurgia

Permite el procesado de determinados materiales a los que no pueden aplicarse otros procedimientos

En ocasiones se presentan variaciones de densidad, sobre todo en el caso de geometrías complejas

Permite obtener elevadas características dimensionales

Limitado a piezas de tamaño reducido

Son procesos automatizables

7.2 Características de los polvos metálicos El proceso comienza con la fabricación de los polvos metálicos. Aunque todos los metales pueden producirse en forma de polvo, no todos cumplen con las características necesarias para poder conformar una pieza. Un polvo puede definirse como un sólido dividido en partículas finas, en el cual se definen las siguientes características:

7.2.1 Pureza y composición química Desde un punto de vista químico, los polvos pueden clasificarse en elementales y prealeados. Los primeros corresponden al metal puro, siendo utilizados en aplicaciones en las que es necesaria una elevada pureza del metal (ej. hierro puro cuando se necesitan sus propiedades magnéticas). Los metales más importantes son el hierro, el cobre y el aluminio. Los polvos elementales se mezclan, en ocasiones, con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales difíciles conseguir por métodos convencionales. En los polvos pre-aleados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Se usan cuando la aleación no puede conseguirse a partir de polvos elementales. Ejemplos de ellos son el acero inoxidable, ciertas aleaciones de cobre o los aceros de alta velocidad. Otros materiales son el tungsteno, titanio, molibdeno, estaño y metales preciosos.

7.2.2 Tamaño de partícula y su distribución El tamaño y distribución de las partículas influyen, en gran medida, en el producto final. Si poseen una forma geométrica regular, su proporción y distribución pueden variar en el producto final, teniendo un importante efecto en la r esistencia, porosidad, densidad y permeabilidad, entre otras [Figura 7.3].

Figura 7.3. Posibles formas de partículas 7.4

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El tamaño de partícula que se utiliza en la metalurgia de polvos puede variar de 5 a 200 μm, empleándose distintos métodos para obtener datos sobre dicho tamaño y forma. El más común se basa en la utilización de cribas de diferentes tamaños de malla, utilizándose el término número de malla , para identificar el número de aberturas por área unitaria. Cuanto mayor es el número de malla, más pequeño debe ser el tamaño de partícula para atravesarla. Otros métodos utilizados para este fin son la sedimentación, la microscopía electrónica u óptica y las técnicas de rayos X. En resumen, el tamaño de la partícula no debe ser demasiado grande ni demasiado pequeño, ya que las partículas grandes no presentan la estructura deseada, mientras que cuando son excesivamente pequeñas pueden ser difíciles de manejar, tendiendo a aglomerarse. El tamaño debe ser tal que favorezca la mayor relación superficie-volumen, lo que produce mayor área de contacto y cohesión entre partículas, resultando el material final con mejores características físicas.

7.2.3 Densidad, factor de empaquetamiento y porosidad Se define densidad real a la densidad del volumen del material si los polvos se fundieran en una masa sólida. Por otro lado, la densidad volumétrica es la que poseen los polvos en estado suelto después del vaciado, lo cual incluye el efecto de los poros entre las partículas. Por ello, esta densidad es menor que la real. El factor de empaquetamiento es la relación entre la densidad volumétrica y la densidad real, tomando valores típicos entre 0,5 y 0,7. Este factor depende de la forma de la partícula y de la distribución de las mismas. Cuando se presentan diferentes tamaños, los polvos más finos se ajustan entre los huecos de los grandes, que en otras circunstancias se ocuparían de aire. Esto aumenta el factor de empaquetamiento, el cual se ve reforzado además si se vibran los polvos, ya que éstos se asientan más firmemente. Además, cuando se aplica presión externa en la compactación, se aumenta nuevamente el empaquetamiento debido a la recolocación y deformación de las partículas. La porosidad se define como la relación del volumen de los poros en el polvo, respecto al volumen total. Los poros se denominan abiertos cuando son externos a las partículas individuales, siendo espacios por los que puede circular un fluido como agua, aceite o metal fundido. Por su parte, los poros cerrados son vacíos internos en la estructura de una partícula. Su presencia suele ser muy escasa, teniendo poco influencia. Por tanto, se puede expresar que: Porosidad + factor de empaquetamiento = 1

7.2.4 Fricción entre partículas y características del flujo El rozamiento entre partículas dificulta una fluencia fácil y consistente de los polvos, así como su adecuada compactación, provocando variaciones de densidad no deseables en la zona compactada. Una medida del flujo es el denominado factor o capacidad de flujo, definido como el tiempo requerido para que una cierta cantidad de polvo fluya a través de un embudo de tamaño normalizado. Se necesita un buen factor de flujo para permitir el llenado de un molde de forma rápida y uniforme. A tiempos menores, mayor facilidad de flujo y

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menor fricción entre partículas. En ocasiones, para facilitar el flujo durante el prensado y reducir la fricción, se añaden pequeñas cantidades de lubricante.

7.3 Fabricación de polvos metálicos Los polvos metálicos se pueden producir mediante diversos métodos, que pueden ser de tipo mecánico, químico, físico o eléctrico, si bien sólo un número reducido de ellos tiene un interés comercial para los procesos de metalurgia, de acuerdo a su capacidad para producir los tamaños, formas y pureza requeridos. El resto son utilizables para la producción de polvos para pintura y revestimientos metálicos o como catalizadores químicos.

7.3.1 Atomización La atomización se utiliza para trabajar metales de bajo punto de fusión, tales como el Pb, Sn, Al, Cd, Cu, etc. El metal fundido se fuerza a pasar a través de un pequeño orificio, fraccionándose por medio de una fuerte corriente de aire comprimido, gas, líquido o vapor. El resultado es una nube de pequeñas gotas que se solidifican formando polvos. La Figura 7.4 muestra distintos métodos de atomización, siendo el más utilizado el que emplea agua. El enfriamiento es muy rápido y la forma del polvo muy irregular, sin poros internos. La desventaja de utilizar agua es la oxidación producida en la superficie de la partícula. Para evitarlo, últimamente se emplea aceite sintético, en sustitución del agua. En el caso de gas se obtienen polvos grandes y esféricos. Cuando se permite la oxidación, o cuando el óxido se pude reducir posteriormente, el aire es adecuado, pero si se necesita mejorar la pureza del metal, es preferible la utilización de un gas inerte.

Figura 7.4. Métodos de atomización 7.6

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Por último, la atomización centrífuga consiste en dirigir un chorro de metal fundido hacia un disco enfriado en rápida rotación, produciéndose, por efecto centrífugo, el rápido desplazamiento radial del metal, pulverizándolo. Las partículas esféricas se solidifican sin tocar ninguna superficie y permanecen limpias.

7.3.2 Desintegración mecánica o pulverización Con este proceso los polvos se obtienen mediante la aplicación de fuerza mecánica. Algunos de los métodos son el torneado y el fresado, entre otros, utilizados en general para materiales frágiles. Otros procedimientos se basan en el uso de trituradores, molinos de turbulencias o martillo rotatorios, en los que se dan golpes continuos y potentes que desintegran el polvo metálico en pequeñas partículas [Figura 7.5.]. En general, c) Molino de martillo suelen aplicarse operaciones de mecanizado, posteriormente, tales como el fresado, a fin de reducir aún más el tamaño. Figura 7.5. Desintegración

7.3.3 Métodos químicos Entre los métodos químicos que se utilizan para la producción de polvo metálico se encuentran la reducción, la precipitación y la condensación. La primera comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales. Ejemplo de ello es la liberación de los óxidos de los metales utilizando agentes reductores, tales como hidrógeno o monóxido de carbono. Este método se utiliza para producir polvos de metales con elevado punto de fusión, como es el caso del hierro, tungsteno, cobalto, níquel o cobre. Las partículas obtenidas tienden a ser porosas, pudiéndose obtener un tamaño bastante uniforme. Son ideales para aplicar bajas presiones, debido a su suavidad y plasticidad. La precipitación del elemento metálico, de sus sales disueltas en agua, se utiliza para polvos de cobre, níquel, plata o cobalto. Mediante la condensación se producen polvos de bajo punto de fusión, consistiendo en calentar una varilla de metal a alta temperatura, de forma que se vaporiza el metal, haciendo pasar las gotas de vapor por una superficie fría en la que se condensa el metal puro en forma de polvo. No es un método económico para la producción a gran escala.

7.3.4 Electrólisis La electrolisis es un método que permite producir polvos de un elevado grado de pureza en una gran variedad de metales. Para ello se utiliza una celda electrolítica en la que el ánodo es la fuente de metal a pulverizar. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado y se mueve por el electrolito hasta llegar al cátodo. Se retira al alcanzar el grado de pureza deseado. Posteriormente se lava, para eliminar las impurezas, y se seca [Figura 7.6]. En general, esta técnica se utiliza para la producción de polvos

Figura 7.6. Electrólisis

7.7

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de cobre, plata, hierro, tantalio titanio, etc. Los polvos obtenidos, debido a su pureza, son resistentes a la oxidación, presentando además una estructura dendrítica característica, con una baja densidad y facilidad para la compresión. Este polvo de cobre es muy utilizado para la fabricación de cojinetes porosos.

7.4 Procesado de polvos metálicos 7.4.1 Acondicionamiento y clasificación Antes de llevar a cabo su procesado, los polvos deben someterse a una serie de operaciones previas que perm iten garantizar su pureza química, la uniformidad de sus dimensiones y la capacidad para soportar los requisitos de uso. En primer lugar, las partículas se limpian para eliminar el óxido y cualquier tipo de elemento extraño que afecte negativamente al material. La eliminación de óxido puede ser un sencillo proceso de reducción, como en el caso de hierro, o por el contrario suponer la aplicación de técnicas especiales para mantener bajo el contenido en oxígeno, como sería el caso de las superaleaciones. Posteriormente, se realiza una operación de secado a una elevada temperatura en atmósfera reductora, de forma que se pueda eliminar aún más el óxido existente. Estas altas temperaturas favorecen un cierto sinterizado que genera copos o esponjas, que pueden requerir un nuevo proceso de reducción de tamaño. Por último el material se clasifica por tamaños mediante cribas u otros procedimientos.

7.4.2 Mezclado Para que los resultados de las operaciones posteriores, de compactado y sinterizado, sean favorables, los polvos metálicos necesitan homogeneizarse perfectamente. El mezclado puede realizarse con polvos metálicos de la misma composición química, o bien mediante mezclas de polvos de diferente composición química, lo cual aporta la ventaja de combinar varios metales en aleaciones que serían muy difíciles de obtener por otros medios. En cualquier caso, el mezclado permite mejorar la homogeneidad mediante una distribución aleatoria del tamaño y forma de las partículas. Además debe ser completo, con cada partícula uniformemente recubierta y con los diferentes componentes dispersos. Para el mezclado se pueden utilizar diferentes métodos mecánicos [Figura 7.7]: a) rotación en tambor; b) rotación en recipiente cónico doble; c) agitación en mezclador de tornillo; d) agitación en mezclador de paletas

Figura 7.7. Métodos de mezclado

7.8

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En ocasiones se añaden aditivos, bien para reducir la fricción (caso de los lubricantes) o bien cuando se precisa una resistencia adecuada en las partes prensadas sin sinterizar (caso de los aglutinantes).

7.4.3 Compactación La compactación permite transformar el polvo metálico en la forma deseada, utilizando diferentes métodos, en función del material y de la densidad requerida. La forma de las partículas, el tamaño, la distribución, así como una selección y mezcla adecuadas, resultan necesarias para obtener una parte comprimida satisfactoria. Mediante la aplicación de una alta presión se obtiene el denominado cuerpo verde, es decir, aquel que no está completamente procesado. La densidad en verde es superior a la inicial, siendo mayor si el polvo es esférico. En el curso del prensado, se produce una recolocación más eficiente de los polvos, se reducen los espacios de poros y se incrementa el número de contactos entre partículas. Al aumentarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto entre ellas aumente y entren en contacto partículas adicionales, reduciéndose aún más el volumen de los poros. Se adquiere una resistencia en verde adecuada para el manejo, pero mucho menor que la que se conseguirá después del sinterizado. Esta resistencia es mayor con tamaños irregulares, ya que se produce un mayor entrelazado de partículas.

7.4.3.1 Compactación convencional La compactación convencional tiene su aplicación más amplia en piezas de forma neta (o casi neta). Se realiza en prensas mecánicas, hidráulicas o en combinación de ambas. Las matrices suelen construirse con acero de alta resistencia; para producciones elevadas y condiciones severas de trabajo se fabrican con carburo de tungsteno cementado. La densidad del cuerpo depende del método de compactación utilizado: a) Compactación simple: cuando se compacta polvo en una cavidad, con un punzón en una única dirección, la efectividad es limitada ; se produce una distribución irregular de densidad debido a la fricción entre partículas y con las paredes de la matriz. La densidad disminuye a medida que el cuerpo se aleja del troquel. Debido a ello, este método sólo es factible para componentes delgados y planos. Se requiere un movimiento activo de compresión, realizado por el troquel superior, así como un movimiento de eyección, proporcionado por el troquel inferior.

Figura 7.8. Ejemplo de compactación por doble acción

7.9

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b) Compresión por doble acción: en este caso, los movimientos son iguales al anterior, con la diferencia de que el troquel inferior está activo durante la compactación, no simplemente durante la eyección, es decir, los troqueles se mueven uno contra otro a la misma velocidad. De esta forma se reduce el efecto de fricción en las paredes laterales y se mejora la uniformidad [Figura 7.8.]. c) Con matriz flotante: provoca un efecto similar al anterior. La matriz flotante desciende una distancia igual a la mitad de la carrera del troquel debido a la fricción entre el polvo y las paredes de la matriz. La eyección puede efectuarse bajando una poco más la matriz, o bien elevando el troquel inferior. d) Con punzones múltiples: se utiliza cuando se presentan espesores diferentes. Los punzones están guiados uno dentro de otro, de forma que se puede aplicar el mismo grado de compactación en todas partes, consiguiendo una densidad de llenado uniforme.

7.4.3.2 Prensado isostático Una característica del prensado convencional es que la presión se aplica uniaxialmente. Esto impone limitaciones en cuanto a la geometría de la pieza, ya que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección perpendicular a la aplicación de presión, produciendo además variaciones de densidad en la compactación. En el prensado isostático, la presión se aplica en todas las direcciones, contra los polvos contenidos en un molde flexible, sometiéndolo a una alta compresión con fluidos en una cámara de alta presión. Puede hacerse de dos formas: 1.- El prensado isostático frío (PIF, en inglés CIP) se realiza a temperatura ambiente. El molde, de hule u otro mater...