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• Estenia Tinta Huarara

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PRACTICA N⁰5 SINTERIZACIÓN I.

OBJETIVOS:  

II.

Preparar y obtener una probeta por sinterizado Afianzar el conocimiento de la teoría con una aplicación práctica.

FUNDAMENTO TEORICO: Sinterización es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas. En la fabricación de cerámicas, este tratamiento térmico transforma un producto en polvo en otro compacto y coherente. La sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de alúmina, berilia, ferrita y titanatos. En la sinterización las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión o vitrificación del compuesto que se desea sinterizar. En el proceso, se produce difusión atómica entre las superficies de contacto de las partículas, lo que provoca que resulten químicamente unidas. Fases de la sinterización Para la fabricación de una pieza mediante sinterizado se siguen las siguientes etapas:     

III.

Obtención del polvo. Preparación del polvo. Compactación. Sinterización. Acabado de la pieza.

EQUIPOS Y MATERIALES EQUIPOS: 1. Mufla 2. Balanza digital 1

3. Prensa pequeña de 3 Tn.

MATERIALES 1. Talco 2. Arcilla blanca 3. Espátula 4. Brocha 5. Depósitos de plásticos 6. Probeta gradada de 100 ml 7. Molde metálico

Cuestionario: 1. Que es sinterizacion?  La sinterización es un proceso de fabricación de piezas sólidas moldeadas, consistente en compactar a alta presión varios polvos metálicos y / o cerámicas mezcladas homogéneamente y, una vez compactadas, realizar un tratamiento térmico, a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, obteniéndose una pieza consolidada y compacta.  Este procedimiento de fabricación proporciona una muy gran cohesión de los polvos, creando enlaces fuertes entre las partículas, que acaban uniéndose en un solo bloque con la forma de un molde determinado.  La sinterización se utiliza de forma generalizada para producir formas cerámicas de berilio, alúmina, ferrita, titanato y circanatos. En la sinterización, las partículas, mediante coalescencia por difusión, continúan en estado sólido a pesar de la alta temperatura, para que esta temperatura permanece por debajo del punto de fusión del compuesto al que se quiere dar forma. En el proceso, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas para que resulten unidas químicamente, formando un solo bloque. 2

2. Qué ventajas tiene la sinterizacion?

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Conseguir piezas con características de materiales metálicos y / o cerámicos, imposibles de conseguir mediante métodos tradicionales (fuerza de las características obtenidas a partir de la sinterización no se pueden obtener mediante el procedimiento de la fundición).

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Alcanzar formas complejas, imposibles de obtener mediante métodos basados en el arranque de viruta.



Obtener piezas libres de tensiones y de fibras.



Las piezas obtenidas mediante el sinterizado son porosas, estos poros permiten un eventual recubrimiento superficial muy resistente al desprendimiento, dado que el material de recubrimiento queda firmemente fijado gracias a los poros.

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Otra característica muy apreciada de los poros es la posibilidad de ser llenados con otros elementos, tales como lubricantes, consiguiéndose así piezas autolubrificades.



Reducción de peso. Las piezas sinterizadas pesan habitualmente entre un 5% y un 25% menos que el mismo componente macizo, como consecuencia de la existencia de micro-porosidad interna del material.

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Producción de piezas sin material sobrante (no hay viruta, ni otros despojos) por lo que, algunas personas, clasifican la sinterización con el calificativo de proceso de fabricación "verde"

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Como en todos los procesos de fabricación hay que tener presente la energía necesaria y la cantidad de material que se "desperdicia" en forma de virutas o polvo, como puede ser en procesos de mecanización.

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La sinterización se usa principalmente con materiales que son caros, como puede ser el carburo de tungsteno, conocido también como Widia (del acrónimo wie diamant en alemán).

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En resumen, las ventajas de la sinterización son: 

Obtención de las piezas a temperaturas relativamente bajas (ahorro energético).  Permite la obtención de las piezas directamente con su forma definitiva (proceso rápido).  Se usa totalmente el material, sin generar residuos, como pueden ser virutas o polvo (ahorro de materias primas y productos).

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3. ¿Qué influencia tiene la presión y la temperatura en el proceso de sinterizado? Algunos procesos aprovechan las ventajas de las altas temperaturas en los procesos de compactación e incluso la posibilidad de aplicar presiones iguales en toda la masa de la pieza. A mayor temperatura habrá mayor presión lo que favorecerá a que nuestra probeta alcance una resistencia adecuada, la presión ayuda a que nuestra probeta sea más resistente. 4. Qué factores afectan la sinterizacion:       

Temperatura Tiempo Atmósfera Composición del material Método de aleación Contenido en lubricante Velocidades de calentamiento y enfriamiento

5. TIPOS DE SINTERIZACIÓN 5.1.  

5.2.  

Sinterización en estado sólido Transitoria. Permanente Sinterización en estado líquido. Activación de la sinterización para conseguir densidades más altas. Aleación más homogénea y rápida (Transitoria). Propiedades fase líquida:

 

Disolución parcial del sólido para aumentar la difusión. Portador de la energía de activación. Limitaciones:

 

Formación de porosidad secundaria. Control de la cantidad de fase líquida, que mejore la densificación sin que se pierda la estabilidad dimensional.

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6. QUE PROCESOS EXISTEN EN EL SINTERIZADO 6.1

COMPACTADO:

Se basa en compactar el polvo con prensas hasta alcanzar la forma de la pieza. El resultado es la pieza “en crudo” o “en verde”. • El objetivo es conseguir la forma, la densidad requerida y el contacto suficiente entre partículas para que se dé el sinterizado en la operación posterior. • También se busca dar una resistencia en verde a la pieza, para que pueda ser manipulada. • En ocasiones se añaden aglutinantes para conseguir mayor resistencia en verde. Este aglutinante se eliminará después en el horno. • A medida que el compactado se realiza a mayores presiones: • La densidad de la pieza obtenida es mayor, acercándose al 100%. • La resistencia en verde de la pieza aumenta. • La resistencia de la pieza sinterizada aumenta. 6.2. SINTERIZADO: En general, se busca un compactado lo más uniforme posible. • Las partículas de polvo se compactan en dirección de la presión realizada. • En ocasiones, se añade lubricante a la mezcla para facilitar el desplazamiento del polvo. Se elimina junto con el aglutinante (si existe) en la fase de sinterizado. • En el caso de geometrías no simétricas o piezas de espesores diferentes, es importante diseñar los utillajes para que se realiza presión uniforme en toda la superficie de la pieza . • El compactado se realiza en prensas mecánicas o hidráulicas (muy similares a las que se explicarán en el 7. QUÉ TIPO DE VARIANTES EXISTEN EN EL SINTERIZADO CONVENCIONAL: •

Estas variantes se emplean fundamentalmente cuando: Se requieren piezas de densidades cercanas al 100%. Se requiere compactar el polvo de forma homogénea en piezas complejas.



Se trata de procesos más caros que el convencional. Los más extendidos son los que emplean compactado isostático en sus variantes:

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en frio o Cold Isostatic Pressing (CIP) y en caliente o Hot Isostatic Pressing (HIP). 7.1.

COLD ISOSTATIC PRESSING (CIP) • Se mezclan los polvos y se introducen en un molde elástico de neopreno, poliuretano,… • Se sumerge el molde en un líquido (normalmente agua) y se incrementa la presión del fluido. • Se sinteriza en horno convencional.

7.2.

HOT ISOSTATIC PRESSING (HIP): • Se mezclan los polvos y se introducen en un molde metálico flexible. • Se introduce en una cámara de gas (normalmente Argón) a alta temperatura y presión.

8. QUE MECANISMOS ACELERAN LA SINTERIZACION: •

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Existen dos tipos básicos de sinterización: la sinterización por fase sólida y la sinterización por fase líquida. La fuerza motora para que se produzca cualquier tipo de sinterización es la disminución de la energía libre superficial del conjunto de partículas. Esta disminución ocurre cuando desaparece la interface material/poro, que es sustituida por la interface material/material, cuando la porosidad desaparece. Estos dos tipos básicos de sinterización son capaces de densificar total o parcialmente la estructura, teniéndose que el primer tipo es posible si se logra una estructura con porosidad controlada, mientras que la eliminación total de la porosidad es más fácil lograrlo a través de la sinterización por fase líquida, Höganäs (1997). Durante la sinterización, la porosidad de la estructura es cerrada. Para esto, el material debe ser vaciado de manera tal que permita rellenar los espacios vacíos. Precisamente el modo como se ubica el material indica el tipo de sinterización. Desde este punto de vista, la cinética de sinterización difiere considerablemente cuando existe o no un líquido presente en la estructura. Por eso, el proceso de sinterización es divido en los tipos básicos citados anteriormente. Dentro de estos tipos básicos, existen muchas variaciones en la cinética de la sinterización, debido a la gran variedad de materiales sintetizables, sus relaciones y las relaciones entre éstas y los factores geométricos más importantes (tamaño y forma de las partículas). Debido a esto, cuando se desea determinar la cinética de sinterización del sistema con precisión, se debe examinar minuciosamente el caso específico, utilizando las teorías como base, y no intentar encuadrar el proceso adentro de las teorías ya existentes.

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9. QUE ESTAPAS PRESENTA LA SINTERIZACION La tecnología de la metalurgia de polvos se basa en el prensado de polvos en moldes de metal y consolidar pieza por calentamiento controlado. El resultado es un producto con forma deseada, buen acabado superficial, la composición química y las propiedades mecánicas controladas. El proceso de la metalurgia implica cuatro etapas básicas: la obtención, la mezcla, compactación y sinterización de polvos, como puede verse en la figura 1 y figura 2, Grupocaet (2014).

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10. COMO EVOLUCIÓN LA SINTERIZACION EN LA HISTÓRICA. Aunque la investigación arqueológica muestra que el hombre estaba produciendo armas, lanzas y herramientas a partir de aglomerados de hierro, hace unos 6000 años antes de Cristo, sólo en el siglo XIX se dieron los primeros pasos para el desarrollo de la pulvimetalurgia moderna. El año 1829 representa un hito en la historia de la pulvimetalurgia, desde esa fecha comenzó la producción de piezas de platino maleables, material que hasta entonces no podía ser procesado por fundición normal, debido a su alto punto de fusión (1770°C). A principios del siglo XX, se desarrollaron procedimientos para obtener piezas de tungsteno (pf = 3410°C) y molibdeno (pf = 2610°C) por pulvimetalurgia. Pero la producción sólo se expandió después de la Segunda Guerra Mundial, para satisfacer la demanda creciente de la industria automotriz en expansión. 8

Hoy en día existen numerosas aplicaciones industriales de las piezas producidas por sinterización. Esta tecnología, en comparación con la metalurgia convencional, se ha vuelto competitiva por razones tecnológicas y por razones económicas. Donde se necesite producir grandes cantidades de piezas, de formas complejas, siempre habrá espacio para la pulvimetalurgia.

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