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• UrielNoriegaCortes

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Producción de polvos metálicos Antes de adentrarnos al tema de la producción de polvos metálicos primero hay que definir que es la pulvimetalurgia (metalurgia de polvos). La pulvimetalurgia es una ruta de procesamiento por el cual los polvos se prensan y se sinterizan para permitir que se unan y formen una masa sólida. Ahora que se sabe que es la metalurgia de polvos ya podemos tocar el tema de su producción. El proceso por el cual pasan lo polvos consta de 5 operaciones, los cuales son: 1.- Producción de polvos 2.- Mezcla 3.- Compactación 4.- Sinterizado 5.- Operaciones de acabado

La producción de polvos. La obtención de polvos metálicos se puede conseguir de varias formas y métodos. Pero para decidir qué tipo de polvo se desea fabricar eso va depender de los requisitos del producto final. Y no solo la decisión va afectar al tipo de polvo si no también el método que se utilizó ya que dé él se definirá la microestructura, las propiedades de la masa y de la superficie, la pureza química, la porosidad y la forma y distribución del tamaño de las partículas. Dichas propiedades afectaran el flujo y la permeabilidad durante la compactación y en las operaciones de acabado. Existen varios métodos para la elaboración de partículas finas. Están los métodos de: Atomización. Método que consiste en inyectar metal fundido por un pequeño orificio el cual se divide en partículas disparando chorros de agua, gas inerte o aire. Reducción. Consiste en la eliminación de oxígeno en los óxidos metálicos utilizando diversos gases como el H y CO como agentes reductores. Deposición electrolítica. Con este método se producen las partículas más puros en existencia utilizando soluciones acuosas o sales fundidas. Carbonilos. En este proceso se utilizan los carbonilos metálicos los cuales se forman cuando el Ni y el Fe reaccionan con el CO. Gracias a la reacción se descomponen los metales en partículas pequeñas, densas, de alta pureza y con esfericidad uniforme. Trituración o pulverización. Comprende de la trituración, molido o esmerilado de metales frágiles o menos dúctiles en partículas. Aleación mecánica. En la aleación mecánica se mezclan polvos de dos o varios metales puros en un molino de bolas. Métodos diversos. Son otros métodos que se utilizan con rareza para la obtención de polvos. Estos son: • Precipitación de una solución química. • Producción por medio de maquinado. • Condensación de vapor. El tamaño de las partículas producidas va desde 0.1 hasta 1000 μ m.

Prensado Prensado Forma de las partículas en la pulvimetalurgia y isostático procesos por los cuales se producen. Laminado Extrusión Atmosfera Moldeo por

Atomización Reducción Deposición electrolítica Carbonilos Trituración o pulverización Aleación mecánica Metalurgia de polvos

Vacío Compactac ión en frio

Sinterizad o

Mezcla

Aditivos Lubricante s

Compactac ión en caliente

Prensado isostático

Operacion es de acabado Acuñado Forjado Maquinado Tratamiento térmico Impregnación Infiltración Recubrimiento

Ejemplo de algunas piezas fabricadas por medio de procesos de metalurgia de polvos.

Tamaño, forma y distribución de las partículas Para medir el tamaño de las partículas se utiliza el medio de tamizado que consiste en pasar partículas a través de cribas (como un cernidor) de varios tamaños de malla. Este método de selección se realiza con una pila recta de cribas con un tamaño cada vez más fino conforme pasan las partículas hacia abajo. También existen otras formas aparte del análisis del tamizado para obtener el tamaño deseado de las partículas. Esta el método de: Sedimentación. Consiste en medir la rapidez en la que las partículas se dividen por secciones en un fluido. Análisis microscópico. Incluye el uso de microscopios electrónicos de transmisión y de barrido. Dispersión de la luz. Se dispara un láser a una muestra de partículas en un medio acuoso. Las partículas dispersen la luz lo cual un detector registra las señales y calcula el tamaño de las partículas. Óptico. Utilizando una fotocelda se detecta el tamaño de las partículas según la cantidad de luz que bloquean. Partículas suspendidas. Se detecta el tamaño y la distribución en un líquido mediante sensores eléctricos.

Forma de las partículas. La forma de las partículas influye mucho en su procesamiento, lo cual se describe en términos de relación de aspecto. La relación de aspecto es el vínculo de las dimensiones más grandes a razón de las más pequeñas de la partícula. Y esta la relación va desde 1 hasta aproximadamente 10 (siendo 1 para partículas esféricas y 10 con forma de aguja).

Factor de forma. Es la medida de la relación entre el área superficial a volumen de la partícula el cual se regulariza con referencia al volumen de una partícula esférica equivalente.

Distribución de tamaño. Es una medida que se concluye por medio de una grafico en términos de frecuencia y distribución. Es muy importante tomar en consideración la distribución de tamaño de las partículas ya que afectara el procesamiento del polvo.

Mezcla de polvos metálicos La mezcla (o combinación) es la amalgama de polvos de diferentes estructuras químicas. Y es el siguiente paso para la pulvimetalurgia. Esto se realiza con el objetivo de: • Combinar polvos de diversos metales y otros materiales para obtener productos con propiedades físicas y mecánicas según los requisitos que se buscan. • Obtener uniformidad entre las partículas de los polvos. • Mejorar las características de flujo utilizado lubricantes. • Desarrollar suficiente resistencia en verde y facilitar el sinterizado usando aditivos como aglutinantes. Hay que tener precaución cuando se trata de la mezcla de polvos para la prevención de contaminación o deterioro ya que esto se debe a un mezclado excesivo que puede generar el endurecimiento y alteración de la forma de la partícula dificultando así el compactado. Se pueden mezclar los polvos en atmosferas inertes para evitar la oxidación o lubricantes que le darán uniformidad al mezclado.

Riesgos. A causa del factor de forma, los polvos metálicos pueden ser explosivos y es necesario tener cuidado durante su mezclado, almacenamiento y manejo. Se recomienda: a) Las conexiones del equipo a tierra. b) Evitar las chispas y la fricción como fuentes de calor.

c) Evitar nubes de polvo, las llamas descubiertas y las reacciones químicas.

(a) a (d) Son algunas figuras de recipientes para mezclar polvos. Y (e) es el mezclador adecuado para mezclar polvos metálicos. Dado que estos son abrasivos, los mezcladores se basan en el volteado de figuras cerradas, contrario al uso de agitadores agresivos.

Compactación de los polvos metálicos La compactación es el paso en donde se prensan los polvos mezclados para darles sus formas dentro de las matrices. El objetivo de la compactación es obtener la forma, densidad y contacto entre partículas para que la pieza posea la resistencia para el siguiente proceso. El polvo comprimido se le conoce como comprimido crudo o en verde y su densidad depende de la presión aplicada y tiende a la del metal macizo cuando la presión es alta.

(a) Compactación de polvos metálicos para formar un buje. Y (b) juego típico de herramental y matriz para compactar un engrane recto.

Equipo. La presión necesaria para el prensado de polvos depende de las características y en la forma de las partículas. Las capacidades de prensado van desde 200 a 300 toneladas, pero hay aplicaciones especiales donde se utilizan prensas de mayor capacidad, aunque la mayoría de las aplicaciones requieren menos de 100 toneladas. La selección de la prensa dependerá del tamaño de la pieza y su configuración, los requisitos de densidad y la capacidad de producción. Presiones de compactado para diversos polvos Metal Aluminio Latón Bronce Hierro Tantalio Tungsteno Otros materiales Oxido de aluminio Carbono Carburos cementados Ferritas

Presión(MPa) 70-275 400-700 200-275 350-800 70-140 70-140 110-140 140-165 140-400 110-165

Procesos diversos de compactado y moldeo. Prensado isostático en frio. CIP, por sus siglas en inglés, técnica de compactación de polvos en la cual, durante la compactación, se aplica presión hidrostática. Se utiliza para lograr una densidad más elevada de los comprimidos en verde o mejor compactación de formas más complejas. Prensado isostático en caliente. HIP, por sus siglas en inglés, es una técnica de procesamiento de polvos en la cual se pueden producir grandes piezas de metal, aleaciones y cerámicos utilizando el sinterizado bajo una presión hidrostática generada por un gas. Moldeado por inyección de polvo. PIM, por sus siglas en inglés, consiste en la mezcla de polvos finos (menos de 10 μ m) con 25 % a 45% de un aglutinante de polímero o base de cera, en un dispositivo de tipo extrusión y posteriormente se inyecta en un molde para formar la pieza. Laminado. En este proceso el polvo metálico es alimentado a un molino de laminación dúo y se comprime como banda continua a velocidades de hasta 0.5m/s. Extrusión. Método por el cual el polvo se encierra en un contenedor metálico donde se moldea, se aplana y se comprime en caliente para darle su forma. Compactación sin presión. La matriz se llena con polvos metálicos por medio de gravedad y el polvo se sinteriza directamente en la matriz. Deposición por rocío. Proceso en el cual se utiliza un atomizador en una cámara espaciosa sobre un molde para producir preformas en presencia de una atmosfera inerte. El molde se puede fabricar dándole varias formas según el requisito. Moldes cerámicos. En este método, primero se fabrican los moldes por medio de técnicas utilizadas en la fundición por revestimiento. Ya que se fabricó el molde se introduce el polvo en el espacio que existe entre la matriz y el contenedor de acero. Después se expulsa en contenedor, se

sella y se somete a HIP.

Deposición por rociado (proceso Osprey) en el que el metal fundido se rocía sobre un mandril giratorio para producir tubería sin costura.

Temperatura y tiempo de sinterizacion para diversos metales Temperatura (°C) Cobre, latón y bronce 760-900 Hierro y hierro-grafito 1000-1150 Níquel 1000-1150 Aceros inoxidables 1100-1290 Aleaciones de alnico (para imanes permanentes) 1200-1300 Ferritas 1200-1500 Carburo de tungsteno 1430-1500 Molibdeno 2050 Tungsteno 2350 Tantalio 2400 Material

Tiempo (min) 10-45 8-45 30-45 30-60 120-150 10-600 20-30 120 480 480

Sinterizado Es el tratamiento a altas temperaturas que hace que las partículas en los compactados crudos se unan así reduciendo el espacio o poros que existe entre ellos. La resistencia y naturaleza de la unión de las partículas estará dada por los mecanismos de difusión, flujo plástico, evaporación de materiales volátiles en el compactado, recristalización, crecimiento de los granos y contracción de polvos. La temperatura con la cual se alcanza la etapa de sinterizado se encuentra entre el 70% y 90% del punto de fusión del material que se está utilizando. El tiempo de sinterizacion también estarán dados por el tipo de material que se está utilizando y pueden ir desde un mínimo de 10 minutos hasta las 8 horas.

Propiedades mecánicas. Según la temperatura y el tiempo del sinterizado se pueden obtener diversas estructuras y porosidades que afectaran las propiedades del material. Pero es imposible que las partículas embonen entre sí de manera que se elimina la porosidad porque siempre van a quedar huecos después del compactado y por el desarrollo de gases durante el proceso. Otro factor que influye es la densidad del material ya que si es menor al 80% de su densidad teórica, los poros se interconectan y esto causa que la resistencia del polvo metalúrgico se reduzca. Sin embargo, hay que tomar en cuenta de estas porosidades para la fabricación de filtros y permitir la infiltración de lubricantes por medio de tensión superficial.

(a) Transporte de material de estado sólido. (b) transporte de fase vapor. R = radio de la partícula r = radio del cuello

ρ Esquema de dos mecanismos para sinterizacion de

= radio del perfil del cuello.

Operaciones de acabado Después del sinterizado se puede mejorar las propiedades o agregar características especiales a los productos mediante operaciones secundarias o adicionales. Esto se consigue mediante: Acuñado. Son operaciones de compactado que se realizan a alta presión en prensas. El objetivo de este proceso es darle precisión a la pieza sinterizada, mejorar la resistencia y acabado superficial por medio de densificación adicional. Forjado. Operación con el fin de darle forma a los compactados preformados y sinterizados por medio de labrado en frio o en caliente. Maquinado. Se utiliza para darle forma a los polvos por medio de taladrado, fresado y roscado con el fin de producir orificios roscados. Rectificado. Método para mejorar la precisión dimensional y el acabado superficial. Recubrimiento. Método que se utiliza la mejora de la dureza y la resistencia al desgaste y a la corrosión. Tratamiento térmico. Mejora la resistencia y la dureza. Impregnación. Técnica utilizada para rellenar los huecos o poros por medio de la infiltración de un fluido. Infiltración. Es un proceso en el cual se pone en contacto un lodo con un metal de punto de fusión inferior con la parte sinterizada donde se funde el lodo y se filtra el metal fundido en los poros mediante la acción capilar dándole una buena resistencia y densidad.

Consideraciones de diseño Debido a la características de flujo de los polvos metálicos en el molde y la fragilidad de los compactados en verdes se recomienda que se sigan estas condiciones: 1.- La forma del compactado debe ser lo más simple y uniforme posible. 2.- Tomar precauciones para evitar el daño durante la expulsión del compactado en verde del molde. 3.- Se recomienda que las formas producidas mediante la metalurgia de polvos sean de tolerancias dimensionales más grandes posibles para reducir el desgaste de las herramientas de producción y los costos. 4.- El espesor de las paredes de la pieza no debe ser menor de 1.5mm, pero con cuidado especial se pueden conseguir prensados con paredes de hasta 0.34mm en componentes de 1mm de longitud. 5.- Es posible producir escalones en las piezas si son simples y su tamaño no excede el 15% de la longitud total de la pieza. Aunque se pueden prensar escalones más grandes pero ocupan de maquinaria pesada de movimientos múltiples. 6.- Se pueden prensar letras si estas están orientadas de manera perpendicular a la dirección del prensado y se pueden realzar y rebajar. Pero no se recomienda el realzado de las letras ya que dificulta el apilamiento durante el sinterizado. 7.- Los bordes su pueden agregar mediante un escalón en el dado. Pero los bordes pueden romperse si son muy grandes a la hora de la expulsión y se requiere de maquinaria más elaborado. Y un borde largo debe poseer un ángulo de salida alrededor de la arista inferior y en la unión del borde del elemento para reducir la concentración de esfuerzo y la probabilidad de fractura. 8.- El prensado de un radio verdadero en lo orilla de una pieza no se puede realizar y se recomienda el prensado de chaflanes o planos a un ángulo de 45° en un plano de 0.25mm. 9.- Las chavetas, sus ranuras y sus orificios se pueden formar durante la compactación de polvos. Y se les puede agregar resaltes siempre que se utilicen los ángulos de salida adecuados y su longitud no sea menor en comparación al componente en general. 10.- Las muescas u las ranuras se pueden producir si se posicionan perpendicularmente en la dirección del prensado. Las ranuras circulares no deben de tener una profundidad de 20% de todo el elemento y las rectangulares no excedan el 15%. 11.- Para las piezas formadas por medio del moldeo de inyección de polvos, las paredes deben de tener un espesor uniforme para minimizar la distorsión durante el sinterizado. También los moldes deben de ser lizos para evitar la acumulación de polvos y que la distribución sea uniforme. 12.- Las tolerancias dimensionales de las piezas sinterizadas son de orden

± 0.05 a 0.1mm. Y se

pueden mejorar las tolerancias significativamente con operaciones adicionales.

Geometría y características de diseño de la matriz o dado para compactación de polvos metálicos.

Capacidades del proceso Las capacidades del proceso de la pulvimetalurgia se resumen de la siguiente manera: • Es una técnica para fabricar piezas de metales refractarios de alto punto de fusión y que por otro método puede ser difícil o costoso. • Es posible la producción de piezas complejas a mayores velocidades mediante equipo automatizado y poca mano de obra. • Ofrece buen control dimensional y la disminución de las operaciones de maquinado y acabado, así reduciendo los desperdicios y el ahorro de energía. • La posibilidad de mezclar diversos tipos de polvos para obtener materiales con propiedades físicas y mecánicas según el requisito deseado. • Se tiene la capacidad de impregnar e infiltrar para aplicaciones específicas.

Las desventajas de la pulvimetalurgia son: • El costo elevado de los polvos metálicos. • La herramienta y maquinaria costosa. • Limitaciones en el tamaño y complejidad de la pieza. • Propiedades mecánicas inferiores a comparación de las obtenidas mediante el forjado.

Economía de la metalurgia de polvos Gracias al proceso de la metalurgia de polvos se pueden fabricar piezas con formas lizas, así eliminando la necesidad de operaciones de acabado y ensamble. Se ha vuelta cada vez una competencia para quien puede elaborar productos más rápido. Aunque el costo elevado de las agujas, moldes y maquinaria significa que la demanda del producto debe ser suficientemente alto para cubrir este gasto. A pesar de que existen excepciones, el proceso es relativamente económico para cantidades superiores de 10,000 piezas. Como en cualquier otro proceso de trabajado de metal, el costo de los moldes y la maquinaria Partes de titanio forjados y de pulvimetalurgia y ahorro de los costos Parte Peso (kg) Palanquilla Pulvimetalurgia Parte Ahorro en forjada final costo (%) F-14 Soporte de fuselaje 2.8 1.1 0.8 50 F-18 Soporte de montaje de motor 7.7 2.5 0.5 20 F-18 Accesorio de soporte de gancho de arrestador 79.4 25 12.9 25 F-14 Bastidor de barquilla 143 82 24.2 50 dependerá de la complejidad de la pieza y el tipo de método a utilizar. A pesar de eso, comparándolo a otros procesos como la fundición y forjado el proceso para elaborar piezas lizas por medio de la pulvimetalurgia es más barato. Pero hay excepciones como la producción de orificios roscados y transversales, rebajos y cavidades que el acabado del precio aumenta. Por lo que se recomienda que se apegue a los lineamientos de los diseños de este proceso para minimizar o evitar

las operaciones secundarias y reducir el costo de producción.

Introducción Dentro de las variedades tecnológicas para producir el metal, metalurgia de polvos es la más diversa dentro de estas. Con ella se puede crear una amplia gama de nuevos materiales, microestructuras y propiedades. No solo eso, también su versatilidad abre nuevas puertas para el procesamiento de los materiales. El uso de este proceso se ha rastreado hacia varios lugares, por ejemplo, los incas fusionaron polvos de oro sobre sus joyas y en la india existe una columna (columna de Delhi) que fue hecha de 6.5 toneladas de polvo de acero, la que data al año 300 D.C. Así es, la metalurgia de polvos no es algo nuevo, de hecho se empleó por primera vez por los egipcios alrededor del año 3000 a.C. y utilizaban este proceso junto con polvo de acero para fabricar herramientas de hierro. Pero antes de saber que es la metalurgia de polvos primero hay que definir que es un polvo. Un polvo está definido como una colección de finas partículas. Entonces ¿qué es la metalurgia de polvos?, (P/M, por sus siglas en inglés) es el proceso que involucra que los metales transformados a polvos son sometidos a prensado y a temperaturas altas (compactado y sinterizado respectivamente) para su formado en piezas densas y monolíticas. Y lo atractivo de este método es la producción de piezas de formas complejas con excelentes tolerancias y de alta calidad relativamente barato. Porque por medio de esta técnica se han fabricados diversos tipos de partes y componentes desde pequeños balines para plumas hasta partes estructurales para aeronaves. Lo que ha resultado competitivo contra los otros procesos del trabajado de metal, especialmente en la fabricación de piezas complejas con aleaciones de alta dureza y resistencia y en el aspecto económico. Ya que el producto elaborado por este proceso se puede producir en masa de manera barata. Con tan solo decir que se producen hasta 100 millones de piezas anuales solo para los contrapesos para los vibradores de teléfonos celulares. Los metales más utilizados por esta técnica son el hierro, cobre, aluminio, estaño, níquel, titanio y los metales refractarios. Y para las piezas elaboradas de latón, bronce, aceros y aceros inoxidables se usan polvos prealeados donde cada partícula es una aleación.

Conclusión El interés inicial de la pulvimetalurgia creció desde el formado de elementos comunes como el cobre y el hierro por medios más económicos. Desde los años cuarenta, este proceso ya estaba involucrado en la elaboración de nuevas aleaciones de tungsteno, aleaciones estructurales férreas y metales refractarios y procesando polvos de materiales menos comunes incluyendo los anteriores (como el Nb, W, Mo, Zr, Ti y Re por mencionar algunos). Adicionalmente, el crecimiento de los metales estructurales ha avanzado desde aquel tiempo. Igual de fascinante ha sido el progreso de las aplicaciones. Inicialmente, piezas basadas en polvo fueron seleccionados por su bajo costo. Pero ahora, la principal razón por la cual se elige la ruta de la metalurgia de polvos ha sido por su mejoramiento de la calidad en el producto, homogeneidad o propiedades en conjunto de costos atractivos y productividad. Las superaleaciones de níquel de altas temperaturas, la dureza específica de aleaciones de aluminio para aeronaves y compuestos de aluminio con expansión termal son algunos ejemplos de este avance. Los éxitos de la pulvimetalurgia del pasado han sido atribuidas por sus beneficios económicos. Como sus operaciones automatizadas con un consumo relativamente bajo de energía, alto uso de materiales y bajos costos capitales. Gracias a estas características hacen que este proceso se preocupa de la productividad, energía y materiales primas. Y consecuentemente, el área está creciendo y reemplazando métodos tradicionales de formar metales, al mismo tiempo creando ramas de aplicaciones únicas.

Bibliografías MANUFACTURA, INGENIERIA Y TECNOLOGIA QUINTA EDICION Autores: S. Kalpakjian y S. R. Schmid CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES SEXTA EDICION Autores: Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay y Wendelin J. Wright