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Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Facultad de Ingeniería

Colegio de Ingeniería Industrial

Procesos de Manufactura

METALURGIA DE POLVOS

Realizo: Mones Cuatzo Celia Matricula: 201135207

Reviso: González Villalba Edgar

Otoño 2013 11 de noviembre de 2013

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ÍNDICE METALURGIA DE POLVOS.............................................................................................................. 3 PALABRAS CLAVE....................................................................................................................... 3 DEFINICIONES ............................................................................................................................ 3 DENFINICION: Metalurgia de polvos ......................................................................................... 4 Ventajas ................................................................................................................................. 4 Desventajas ........................................................................................................................... 4 CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS EN INGENIERÍA .................................................................. 5 PRODUCCION DE POLVOS METÁLICOS ..................................................................................... 6 Atomización........................................................................................................................... 7 Reducción química ................................................................................................................ 7 Electrolíticos .......................................................................................................................... 7 Con maquinado ..................................................................................................................... 7 De molido .............................................................................................................................. 7 Perdigonado .......................................................................................................................... 8 Pulverización: ........................................................................................................................ 8 Granulación ........................................................................................................................... 8 PRENSADO CONVENCIONAL Y SINTERIZADO ............................................................................ 8 Combinación y mezclado de polvos ...................................................................................... 8 Compactación........................................................................................................................ 9 Sinterizado............................................................................................................................. 9 ALTERNATIVAS DE PRENSADO Y TÈCNICAS DE SINTERIZADO ................................................. 10 Métodos de compactación.................................................................................................. 10 Combinación de compactación y sinterizado ..................................................................... 12 Métodos alternativos de sinterizado. ................................................................................. 12 MATERIALES Y PRODUCTOS PARA METALURGIA DE POLVOS ................................................ 12 Materiales para la metalurgia de polvos ............................................................................. 13 Productos de la metalurgia de polvos ................................................................................. 13 Bibliografía .................................................................................................................................. 14

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METALURGIA DE POLVOS PALABRAS CLAVE Metalurgia; Polvos metálicos; Prensado; Sinterizado; Compactación; Moldeo; Materiales; Metales; presión; Maquinado; Mezclado; Laminado; Manufactura.

DEFINICIONES Criba: Utensilio que se emplea para limpiar el grano de la paja, el polvo y otros sólidos no deseados con que se halla mezclado. Perdigonado: Procedimiento usado por los fabricantes para aumentar las capacidades operativas de los metales utilizados en componentes Ánodo: Electrodo en el que se produce una reacción de oxidación, mediante la cual un material, al perder electrones, incrementa su estado de oxidación Troquel: Instrumento o máquina de bordes cortantes para recortar o estampar, por presión, planchas, cartones, cueros, etc. Cátodo: Electrodo en el que se genera una reacción de reducción, mediante la cual un material reduce su estado de oxidación al aportarle electrones. Aspersión: Sistema de riego que reproduce las condiciones de la lluvia. El agua es repartida sobre el campo de cultivo por unos aspersores a los que llega mediante una red de tuberías. Estearatos: Sal o éster del ácido esteárico Desfloculantes: Producto que tiene la función de separar partículas que se aglutinan. Lechada: Masa fina de cal, yeso o argamasa, usada para blanquear paredes y para unir piedras o hiladas de ladrillo. Mate: Amortiguado, sin brillo. Remanente: Residuo que queda de una cosa.

4 Escobilla: Instrumento formado por un pequeño cepillo de fibras flexibles, generalmente redondeado, sujeto al extremo de un palo o barra corta, que sirve para limpiar:

DENFINICION: Metalurgia de polvos La metalurgia de polvos es el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos bajo presión; es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen piezas a partir de polvos metálicos. En la secuencia de la producción de la metalurgia de polvos, los polvos se comprimen para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión de partículas en una masa dura y rígida. La compresión llamada prensado, se realiza en una maquina tipo prensa cuyas herramientas se diseñan específicamente para la pieza que se va a producir. La aplicación del calor durante el proceso, se conoce como sinterizado y resulta de la unión conjunta de las partículas finas, mejorando asi la resistencia y otras propiedades del producto terminado. Ventajas Las consideraciones que hacen de la metalurgia un proceso importante desde el punto de vista comercial y tecnológico son las siguientes: 

Alta capacidad de producción.



La precisión dimensional y el acabado superficial son buenos.



Se pueden fabricar artículos de cualquier forma.



Se pueden fabricar componentes de la porosidad deseada.



Se pueden mezclar dos o mas metales en la proporción que se requiera para dar las propiedades deseadas.



La operación es mas limpia y rápida.



Se fabrican puntas muy duras para herramientas de corte.



No existe desperdicio de materia prima.



Se obtiene una estructura relativamente más uniforme, sin defectos.



Es posible la producción de herramientas impregnadas con diamante.

Desventajas Hay limitaciones y desventajas asociadas con este procesamiento, entre las cuales: 

Muchas formas complicadas son imposibles de elaborar.

5 

Los componentes fabricados no poseen tan buenas propiedades físicas como las partes fundidas o forjadas.



El procedimiento es costoso.



El costo inicial de las matrices es elevado.



No se pueden producir componentes de gran tamaño.



Los polvos metálicos poseen mayor volumen.



Son difíciles de almacenar y se oxidan o deterioran si se almacenan por mucho tiempo.



Los artículos producidos tienen ductilidad deficiente.



El maquinado es difícil.



No es económico para producciones menores a 35 000 piezas.

CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS EN INGENIERÍA Los polvos se producen de acuerdo a especificaciones, tales como forma, finura, distribución del tamaño de la partícula, capacidad para fluir, propiedades químicas, compresibilidad, densidad aparente, propiedades de sinterización, etc. A continuación se presentan algunas de las características más importantes de los polvos metálicos: CARACTERÍSTICA

DESCRIPCIÓN La forma depende principalmente de cómo se produce y puede ser

esférica, redondeada,

cilíndrica

esponjosa,

acicular, hojuela, cubica, agregada, etc. FORMA

Se refiere al tamaño de la partícula y se determina pasando FINURA

DISTRIBUCIÓN POR

el polvo a través de una criba normalizada o por medición con microscopio.

Hace referencia a la cantidad de cada tamaño de partícula

TAMAÑOS DE

normalizado, en el polvo. Tiene la influencia considerable en

PARTÍCULAS

la determinación de la capacidad de flujo y de la densidad

6 aparente, así como de la porosidad final del producto.

Característica de un polvo que le permite fluir fácilmente y conforme a la cavidad del molde. Puede describirse como “la

FLUIDEZ

tasa de flujo a través de un orificio fijado.

Tienen relación con la pureza del polvo, cantidad permitida

PROPIEDADES

de óxidos y el porcentaje de otros elementos que se admiten.

QUÍMICAS

Es la razón del volumen inicial del polvo al volumen de la COMPRESIBILIDAD

pieza comprimida.

La densidad aparente de un polvo se expresa en kilogramos por metro cubico. Debe mantenerse constante de tal forma

DENSIDAD

que se alimente cada vez de la misma cantidad de polvo en

APARENTE

el molde.

Sinterización es la unión de las partículas por la aplicación

FACILIDAD DE SINTERIZACIÓN

del calor.

La fricción entre partículas afecta la disposición del polvo a

FRICCIÓN INTERPARTICULAR

fluir con facilidad y a compactarse firmemente.

El factor de empaquetamiento es la densidad volumétrica EMPAQUETAMIENTO

dividida entre la densidad real. Este factor depende de la forma y de la distribución de los tamaños de la partícula.

Se define como la razón del volumen de los poros (espacios POROSIDAD

vacios) en el polvo, respecto al volumen volumétrico

PELÍCULAS

Las posibles películas incluyen óxidos, sílice, materiales

SUPERFICIALES

orgánicos adsorbidos y humedad.

PRODUCCION DE POLVOS METÁLICOS Aunque todos los metales pueden producirse en forma de polvo, solo algunos se aplican ampliamente en la manufactura de piezas metálicas prensadas. Así que

7 todos los polvos metálicos debido a sus propias características físicas y químicas no pueden manufacturarse en la misma forma. El procedimiento varía ampliamente así como varían los tamaños y estructuras de las películas obtenidas por los diferentes procesos. Existen métodos principales para producir comercialmente polvos metálicos, cada uno implica consumo de energía para incrementar el área superficial del metal. Los métodos son: Atomización La atomización implica la conversión de un metal fundido en un roció de pequeñas gotas que se solidifican formando polvos. Son aplicables a caso todos los metales, aleaciones o metales puros. 

Atomización con gas: Es este método se utiliza una corriente de gas a alta velocidad para atomizar al metal líquido.



Atomizado por agua: Se utiliza una corriente de agua a alta velocidad en lugar de aire. Su enfriamiento es más rápido y la forma del polvo resultante es mas irregular que esférica. La desventaja de usar agua es la oxidación en la superficie de las partículas.



Atomizado centrífugo: En este se vacía una corriente de metal líquido en un disco que gira rápidamente y que rocía el metal en todas direcciones, pulverizándolo.

Reducción química La reducción química comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales. Electrolíticos En la electrolisis 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 de un voltaje aplicado, se mueve a través de un electrolito y se deposita en el cátodo. El depósito de retira, se lava y seca. Esta técnica se utiliza para obtener polvos de berilio, cobre, hierro, plata, tantalio y titanio. Con maquinado Se producen con partículas gruesas y se usa principalmente para producir polvos de magnesio. De molido Se utilizan distintos topis de trituradores, molinos rotatorios de rodillos y por estampado.

8 Perdigonado Es la operación de vaciar el metal fundido a través de un tamiz u orificio y enfriarlo dejándolo caer en el agua. Se obtienen partículas esféricas o con forma de pera. Pulverización: Es la operación de aspersión del metal, es un medio exelente para producir polvos de muchos de los metales de baja temperatura tales como: plomo, aluminio, zinc y estaño. Granulación Se presenta cuando los metales pueden convertirse en pequeñas partículas con una agitación rápida del metal mientras se está enfriando.

PRENSADO CONVENCIONAL Y SINTERIZADO La secuencia convencional de la metalurgia de polvos consiste en tres pasos: 1. Combinación y mezclado de los polvos 2. Compactación 3. Sinterizado

Combinación y mezclado de polvos La combinación se refiere al intermezclado de polvos de la misma composición química, pero posiblemente con diferentes tamaños de partícula. El mezclado se refiere a la mezcla de polvos de distinta composición química. El mezclado y la combinación se realizan por medios mecánicos, algunas alternativas son: a) Por rotación en tambor b) Por rotación en un recipiente de cono doble c) Por agitación en un mezclador de tornillo d) Por agitación en un mezclado de paletas. Generalmente se añaden lubricantes a los polvos metalicos durante el paso de combinación o mezclado. Estos aditivos son: 

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.

9 

Aglutinantes: Para lograr una resistencia adec7uada en las piezas prensadas pero no sinterizadas



Desfloculantes: Inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus características de flujo.

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. El nombre de la pieza de trabajo varia después de ser trabajada. Compactado fresco: Así se le llama a la pieza después de ser prensada. Fresco: Significa que la pieza no está completamente procesada. Densidad fresca: Densidad de la pieza, mayor que la densidad volumétrica inicial. Resistencia fresca: Es adecuada para el manejo cuando la pieza es prensada. Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia de polvos son mecánicas, hidráulicas o una combinación de ambas. Las prensas se pueden clasificar en: 1) Prensado en una dirección. 2) Prensado en dos direcciones. La fuerza requerida para el prensado depende del área proyectada de la pieza, multiplicada por la presión necesaria para compactar los polvos del metal. Sinterizado El sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se ejecuta sobre el compactado para unir sus partículas metálicas, incrementando de esta manera su fuerza y resistencia. Se lleva a cabo generalmente a temperaturas entre 0.7 y 0.9 del punto de fusión del metal. Muchas veces se utiliza el termino Sinterizado en estado sólido o sinterizado en fase solida, debido a que el metal permanece sin fundir a la temperatura del tratamiento. El tratamiento térmico consiste en tres pasos realizados ewn tres cámaras de hornos: 1) Precalentado, en el cual se queman los lubricantes y aglutinantes 2) Sinterizado 3) Enfriado

10 Los hornos para sinterizado pueden ser de tipo intermitente o continuo. El tipo continuo tiene una banda de malla de alambre para transportar las piezas compactas a través del horno.

ALTERNATIVAS DE PRENSADO Y TÈCNICAS DE SINTERIZADO Los métodos para procesamientos se ubican en tres categorías: 

Métodos de compactación



Combinación de compactación y sinterizado



Métodos alternativos de sinterizado.

Métodos de compactación PRENSADO ISOSTÁTICO En este tipo de prensado la presión se aplica en todas direcciones contra los polvos contenidos en el molde flexible; para lograr compactación se usa la presión hidráulica. Puede hacerse de dos formas: Prensado isostático frio: 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 ejerces la presión hidrostática. Ventajas 

Incluye una densidad mas uniforme



Herramientas menos costosas



Mayor aplicación a corridas cortas de producción.

Desventajas 

Es difícil lograr una buena precisión dimensional



Se requieren operaciones de formado y acabado

Prensado isostático caliente: Se lleva a cabo a alta presión y temperatura, usando como medio de compresión un gas que puede ser argón o helio. El molde se hace de lámina de metal para resistir altas temperaturas. Ventaja 

Se realiza en un solo paso el prensado y la sinterización.

11 Desventajas 

Proceso relativamente costoso



Sus aplicaciones se concentran en la industria aeroespacial.

COMPACTACIÓN CENTRIFUGA Un desarrollo en la metalurgia de polvos es la compactación centrifuga, para obtener una densidad uniforme, Los moldes se llenan con el polvo y luego se centrifugan para obtener presiones hasta de 3MPa. Se obtiene una densidad uniforme, ya que la fuerza centrifuga actúa independientemente sobre cada partícula de polvo. Una vez extraída de los moldes, la pieza compacta se procesa en la misma forma que las piezas prensadas. CONFORMACIÓN POR VACIADO. El polvo, convertido en una lechada, se vacía primero en un molde de yeso mate. Ya que el molde es poroso el liquido gradualmente drena dentro del yeso dejando una capa solidad de material depositada sobre la superficie del molde. Para objetos huecos, después de transcurrido el tiempo suficiente para que se acumule un espesor deseado, la suspensión remanente se vacía. Después del secado, Los componentes se sinterizan de forma usual. LAMINADO DE POLVOS Los polvos pueden comprimirse en una operación de laminado para formar material metálico en tiras. El proceso se puede operar comúnmente de manera continua o semicontinua. Los polvos metálicos se compactan entre dos rodillos para formar una tita fresca con la que se alimenta directamente a un horno de sinterizado. Después se enfría, lamina y se vuelve a sinterizar. EXTRUSIÓN DE POLVOS El polvo inicial puede tener formas diferentes. En este método los polvos se colocan al vacio en una lata de lamina metálica hermética, se calientan y se extruyen junto con el recipiente. COMPACTADO POR EXPLOSIVOS El compactar polvos por medio de una carga explosiva ofrece ventajas para polvos difíciles de compactar. Son posibles presiones extremadamente altas lo que da por resultado un producto de alta densidad, reduce el tiempo de sinterizacion y la contracción de la pieza compactada es menor.

12 Combinación de compactación y sinterizado PRENSADO EN CALIENTE El calor se aplica durante la compactación y el producto resultante es generalmente duro, denso, fuerte y bien dimensionado. Los principales problemas de este método son: 1) La selección del material para el molde que pueda soportar altas temperaturas. 2) Los largos ciclos de producción. 3) El calentamiento y el mantenimiento de un control atmosférico.

SINTERIZADO POR CHISPA Es una alternativa que combina el prensado y el sinterizado. El proceso consiste en dos pasos: 1) Los polvos o un compactado fresco preformado se colocan en un troquel; 2) Los pinzones 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. Métodos alternativos de sinterizado. SINTERIZADO EN FASE LÍQUIDA En este proceso, se mezclan los dos polvos iníciales y luego se calientan a una temperatura lo suficientemente alta para fundir el metal de mas bajo punto de fusión, pero no el otro. El metal fundido moja perfectamente las partículas solidas, creando una estructura densa con uniones fuertes entre los metales una vez solidificados. SINTERIZADO POR GRAVEDAD El proceso tiene una especial aplicación en la fabricación de laminas de acero inoxidable. Se deposita un espesor uniforme de polvo sobre charolas de cerámica y se sintetizan hasta 48 horas en gas. Las hojas se laminan después para obtener uniformidad en el espesor y un mejor acabado superficial.

MATERIALES Y PRODUCTOS PARA METALURGIA DE POLVOS Las materias primas para el procesamiento en la metalurgia de polvos son mas costosos que para otros trabajos de metal, debido a la energía adicional requerida para re3ducir el metal a polvo. La metalurgia de polvos solamente es competitiva en ciertos tipos de aplicaciones.

13 Materiales para la metalurgia de polvos Los polvos metálicos se pueden clasificar en elementales y prealeados. 

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.



Polvos prealeados: Es estos cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Estos polvos se unan cuando una aleación no puede formularse mediante la mezcla de polvos elementales , el acero inoxidable es un ejemplo. Los polvos prealeados mas comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad.

Productos de la 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 de grandes cantidades de engranes y rodamientos se adapta particularmente por dos razones: 1) Tienen una forma definida principalmente en dos dimensiones. 2) Se necesita porosidad en el material para servir como deposito de lubricantes. Los siguientes son algunos de los productos de polvos metálicos principales: PRODUCTO

DESCRIPCIÓN Tienen mayor resistencia a la tensión y al choque que los filtros de cerámicas. Se utilizan para filtrar fluidos calientes y

Filtros Metálicos

fríos y aire; además en tanques de gasolina son para separar la humedad e impurezas provenientes del sistema de combustible.

Carburos cementados

Engranes y rotores de bomba

Se utilizan para herramientas de corte y dados.

Se hacen de hierro en polvo, mezclado con suficiente grafito para dar al producto el contenido de carbono deseado.

14 Se hacen mezclando cobre con grafito en cantidades Escobillas para motor

suficientes para dar a la pieza compacta la resistencia mecánica adecuada.

Se hacen de polvos de cobre, estaño y grafito, aunque pueden utilizarse otras combinaciones metálicas. Después Cojinetes porosos

del sinterizado, los cojinetes se calibran y luego se impregnan con aceite por un tratamiento al vacio.

Pueden producirse excelentes magnetos pequeños de Magnetos

varias composiciones de hierro, aluminio, niquel y cobalto cuando se combinan en forma de polvo.

Las piezas para contactos deben ser resistentes al desgaste y algo refractarias

y al mismo tiempo, tener una buena

Piezas de contactos

conductividad eléctrica. La metalurgia de polvos se adapta a

eléctricos

su fabricación ya que es posible combinar varios polvos metálicos y mantener algunas de las características de cada uno.

Bibliografía

B.H. Amstead, P. F. (2013). Procesos de manufactura: Version SI . Mexico : Continental . Bawa, H. Procesos de manufactura. Nueva Delhí : Mc Graw Hill. Graover, M. P. Fundamentos de manufactura moderna. Lehigh University: Mc Graw Hill.