Caracterización de polvos metálicos

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(1)CARACTERIZACION DE POLVOS METALICOS. Autor: JUAN PABLO ACERO GARCIA Código: 199711924. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BOGOTA, JUNIO de 2003.

(2) CARACTERIZACION DE POLVOS METALICOS. Autor: JUAN PABLO ACERO Código: 199711924. Profesor asesor: JAIRO ESCOBAR M. Sc., Dr. en Ingeniería. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BOGOTA, JUNIO de 2003.

(3) Dedicatoria. A mi madre y a mi hermana, por enseñarme el valor y la importancia de luchar por lo que se quiere en la vida..

(4) AGRADECIMIENTOS. A Ecka Granules GMBH & Co KG, Höganäs AB, Kawasaki Steel Corporation, Osprey Metals Ltd y a QMP, porque contribuyeron con sus donaciones a dar los primeros pasos para el estudio de la metalurgia de polvos en Colombia; sin la colaboración de estas prestigiosas empresas no se hubiera logrado realizar este proyecto.. Al Centro de Investigaciones de la Fundación Cardio Infantil, por haber puesto en disposición. sus. instalaciones. para. el. desarrollo. de. ensayos. de. laboratorio,. indispensables para el desarrollo de este proyecto.. Al Centro de Investigación en Propiedades y Estructura de los Materiales CIPEM, por haber permitido utilizar sus equipos para realizar ensayos de caracterización primordiales para lograr cumplir con los objetivos del proyecto . Al profesor JAIRO ESCOBAR, por su motivación, apoyo, colaboración y disposición para el desarrollo de este proyecto de grado; quien con sus conocimientos siempre incentivo el deseo de incursionar en el mundo de la metalurgia de polvos..

(5) IM-2003-I-01. TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCION. 3. 2. OBJETIVOS. 4. 2.1.. OBJETIVO GENERAL. 4. 2.2.. OBJETIVOS ESPECIFICOS. 4. 3. METALURGIA DE POLVOS. 5. 3.1.. INTRODUCCION. 5. 3.2.. HISTORIA. 5. 3.3.. PRODUCCION DE POLVOS METALICOS. 6. 3.4.. CARACTERISTICAS DE POLVOS METALICOS. 7. 3.5.. VENTAJAS. 7. 4. PRODUCCION DE POLVOS METALICOS. 9. 4.1.. 9. PROCESOS MECANICOS. 4.1.1. MOLIENDA. 10. 4.1.2. PROCESO “COLD-STREAM”. 12. 4.1.3. ATOMIZADO. 13. 4.2.. 15. PROCESOS QUIMICOS. 4.2.1. REDUCCION QUIMICA. 15. 4.2.2. PRECIPITACION DE UNA SOLUCION. 16. 4.2.3. DESCOMPOSICION TERMICA. 18. 4.3.. 19. PROCESOS ELECTROLITICOS. 5. CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS Y SU DETERMINACION 5.1.. 21. TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE TAMAÑO DE LAS PARTICULAS 22. 5.1.1. TAMIZADO. 23. 5.1.2. MICROSCOPIA Y ANALISIS DE IMAGEN. 25. 5.1.3. QELS (Quasi Elastic Light Scattering). 26. 5.2.. FORMA DE LAS PARTICULAS. 29. 5.3.. SUPERFICIE LIBRE ESPECIFICA. 33. 5.4.. DENSIDAD APARENTE. 34. 1.

(6) IM-2003-I-01. 5.5.. DENSIDAD DE BATIDA (TAP DENSITY). 37. 5.6.. TASA DE FLUJO. 39. 5.7.. COMPOSICION QUIMICA. 40. 5.8.. COMPRESIBILIDAD. 42. 6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y METODOLOGIA. 44. 6.1.. FORMA DE LA PARTICULA. 44. 6.2.. TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE TAMAÑO DE LAS PARTICULAS 45. 6.2.1. MICROSCOPIA Y ANALISIS DE IMAGEN. 45. 6.2.2. QELS (Quasi Elastic Light Scattering). 46. 6.3.. DENSIDAD APARENTE. 48. 6.4.. DENSIDAD DE BATIDA (TAP DENSITY). 49. 6.5.. TASA DE FLUJO. 49. 7. RESULTADOS Y ANALISIS. 51. 7.1.. FORMA DE LAS PARTICULAS. 52. 7.2.. TASA DE FLUJO. 57. 7.3.. DENSIDAD APARENTE. 60. 7.4.. DENSIDAD DE BATIDA (TAP DENSITY). 63. 7.5.. TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE TAMAÑO DE PARTICULAS. 65. 7.5.1. QELS (Quasi Elastic Light Scattering). 66. 7.5.2. MICROSCOPIA Y ANALISIS DE IMAGEN. 68. 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 77. 9. LISTA DE REFERENCIAS. 81. 10. LISTA DE FIGURAS. 82. 11. LISTA DE TABLAS. 84. 12. ANEXOS. 85. 2.

(7) IM-2003-I-01. 1. INTRODUCCION. La metalurgia de polvos (MP) es un proceso de manufactura que crece cada día a nivel mundial, por las grandes ventajas que ofrece; pues además de obtener productos con propiedades homogéneas, precisión dimensional y mejores acabados superficiales que los conseguidos por otras técnicas similares a un menor costo, debido principalmente a la economía de las materias primas y la mínima energía necesaria para la producción, puede ser la única posibilidad tecnológica de fabricación. Sin embargo, en Colombia son precarios los estudios que se tienen en este campo y es precisamente este factor el que ha motivado el desarrollo de este proyecto; con el cual se busca hacer parte de los primeros estudios académicos que permitan aumentar los conocimientos que se tienen respecto a la MP en Colombia, sus propiedades, características y aplicaciones; y así marcar una pauta para estudios posteriores, que vayan a la vanguardia de los avances en este campo en el país.. Para viabilizar el estudio de la MP fue necesaria la consecución de diferentes muestras de polvos metálicos y la caracterización de estos para después continuar con el estudio de las siguientes etapas del proceso. A partir de la elaboración de una base de datos, que incluyera la información de algunas empresas productoras de polvos, se obtuvieron donaciones de diferentes polvos con las que se realizo el proyecto.. Para el proceso de caracterización de los diferentes polvos, la identificación y medición de las características halladas dependió de los equipos con los que se logros disponer. Estás características fueron determinadas con el fin de correlacionarlas con el proceso de producción de los polvos y con las propiedades de los productos hechos a partir de ellos; así mismo con el objeto de encontrar las relaciones existentes entre cada una de ellas.. 3.

(8) IM-2003-I-01. 2. OBJETIVOS. 2.1. OBJETIVO GENERAL:. Mediante la caracterización de diferentes tipos de polvos metálicos, se buscará correlacionar las características de estos con el proceso de obtención y su incidencia en las propiedades de piezas terminadas; así como las relaciones existentes entre cada una de las características determinadas.. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:. -. Realizar una revisión bibliográfica con el fin de obtener conocimientos básicos sobre el proceso de metalurgia de polvos, así como de los procesos de obtención y caracterización de diferentes tipos de polvos metálicos.. -. Construir una base de datos de algunas empresas productoras de polvos metálicos a nivel mundial, a partir de la cual se buscara obtener donaciones de diferentes tipos de polvos metálicos para iniciar el proyecto. -. Medir o determinar la forma, factores de forma, tamaño y distribución de tamaño de las partículas; así como la densidad aparente, densidad de batida y tasa de flujo de diferentes de polvos metálicos.. -. Analizar los resultados de las diferentes características determinadas de los polvos y las posibles relaciones existentes entre cada una de ellas.. -. Realizar guías instructivas con la metodología requerida para determinar experimentalmente las diferentes características de polvos metálicos.. 4.

(9) IM-2003-I-01. 3. METALURGIA DE POLVOS. 3.1. INTRODUCCION. La metalurgia de polvos (MP) es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen partes a partir de polvos metálicos. En la secuencia tradicional de producción de la MP, los polvos se consolidan para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión de las partículas en una masa dura y rígida. La metalurgia de polvos tiene como objeto transformar los polvos metálicos usando calor y presión, a través de un proceso difusivo de sinterización que se realiza a una temperatura inferior al punto de fusión del metal más importante, obteniendo una pieza o componente con la forma final; o mediante la consolidación directa del polvo a través de la aplicación de presión isostática en caliente [Ref. 1]. En la figura 1 se muestra un diagrama que resume los diferentes procesos de la MP; la etapa de mezclado evidencia una de las grandes ventajas del proceso, pues permite producir un amplio espectro de aleaciones, y el uso de aditivos permite mejorar el comportamiento de los polvos durante el conformado; prensado isostático, inyección, extrusión y forja son algunas de las alternativas utilizadas para el conformado de las piezas.. El proceso de MP permite. operaciones adicionales como maquinado, impregnación, infiltración, tratamientos térmicos y acabados superficiales [Ref. 2].. 3.2. HISTORIA. El campo moderno de la metalurgia de polvos data del siglo XIX, al despertarse un gran interés por el platino. Alrededor de 1815 el Ingles William Wollaston desarrolló una técnica para preparar polvos de platino, compactarlos a alta presión y cocerlos (sintetizarlos) al rojo vivo. El proceso de Wollaston marca el principio de la metalurgia de polvos tal como se practica actualmente [Ref. 1]. El panorama de. 5.

(10) IM-2003-I-01. la tecnología moderna incluye no solamente la producción de partes sino también la preparación de los polvos iniciales.. Fig. 1. Proceso de Metalurgia de polvos [Ref. 2]. 3.3. PRODUCCION DE POLVOS METALICOS. Un polvo se puede definir como un sólido dividido en partículas finas. Prácticamente cualquier metal puede reducirse a la forma de polvo. Hoy en día hay varias técnicas para la obtención de polvos metálicos que para fines didácticos, pueden ser agrupadas en las siguientes categorías: procesos físicos o. 6.

(11) IM-2003-I-01. mecánicos, químicos y electrolíticos; cada una de las cuales implica el consumo de energía para incrementar el área superficial del metal. La elección del proceso de producción de los polvos esta estrechamente relacionada con las propiedades físicas, químicas y mecánicas del material que se quiere obtener, es decir dependiendo del proceso utilizado se pueden producir polvos de un mismo material con diferentes características y propiedades.. 3.4. CARACTERISTICAS DE POLVOS METALICOS. Las características de los polvos son básicamente función del proceso de producción de estos. Las de mayor importancia son: forma de las partículas, tamaño de las partículas y su distribución, superficie libre específica, composición química, densidad, tasa de flujo, importante. tener. en. cuenta. y compresibilidad o compactibilidad. que. todas. estas. características. Es están. interrelacionadas, es decir al variar alguna de estas características otras son afectadas.. 3.5. VENTAJAS. Las ventajas que hacen de la MP un proceso importante comparado con otras tecnologías de formado de metales, desde el punto de vista económico y tecnológico son las siguientes: − Capacidad intrínseca de producir un amplio espectro de aleaciones, incluyendo compuestos con propiedades únicas; control sobre la forma, el tamaño y localización de las porosidades en la pieza; propiedades homogéneas y mejores acabados superficiales que los conseguidos por otras técnicas similares a un menor costo, eliminando o reduciendo la necesidad de procesos posteriores [Ref. 4].. 7.

(12) IM-2003-I-01. − Los procesos de MP implican muy poco desperdicio de material, cerca del 95% de los polvos iniciales se convierten en producto; al igual que los mínimos requerimientos necesarios de energía comparado con diferentes procesos de manufactura de metales (ver figura 2). Fig. 2.. Utilización de materias primas y requerimientos de energía para diferentes procesos de. manufactura [Ref. 4]. − Debido a la naturaleza de la materia prima en la MP, se pueden hacer partes con un nivel específico de porosidad.. Esta característica es útil en la. producción de partes de metal poroso, como rodamientos y engranes impregnables con aceite, así como filtros. − La MP se compara favorablemente con la mayoría de los procesos de fundición en lo que se refiere al control dimensional de los productos. Se obtiene tolerancias de ±0.13 mm (±0.005 pulg) [Ref. 1].. Para ciertos productos puede ser la única posibilidad tecnológica de fabricación, como es el caso de los cojinetes auto lubricados y los filamentos de tungsteno que utilizan las lámparas incandescentes.. 8.

(13) IM-2003-I-01. 4. PRODUCCION DE POLVOS METALICOS. Este capítulo tratará los principales procesos de producción de polvos metálicos. Se dedicará especial importancia a las técnicas de producción más importantes comercialmente. Para fines académicos, los procesos de fabricación pueden ser agrupados en las siguientes categorías [Ref. 5]:. −. Procesos físicos o mecánicos. −. Procesos químicos. −. Procesos electrolíticos. La selección del proceso depende fundamentalmente del conjunto de propiedades mecánicas, físicas y químicas del material que quiere ser obtenido. Debe ser tenido en cuenta, que dependiendo del proceso utilizado, pueden ser obtenidos polvos de un mismo material con diferentes características y propiedades, ejerciendo una influencia directa sobre las condiciones de procesamiento por MP.. 4.1. PROCESOS MECANICOS. Los procesos mecánicos de obtención de polvos están divididos en dos grandes grupos, de acuerdo con el estado físico con que se encuentre el material que va a ser procesado [Ref. 5]. El primero es el procesamiento del material en estado sólido, el cual se presenta por medio de pulverización mecánica; y el segundo es el procesamiento en estado líquido, donde el material puede ser transformados por medio del atomizado; esta última técnica es considerada como el proceso físico más importante comercialmente de producción de polvos.. Los procesos de pulverización son especialmente para la obtención de polvos de metales frágiles; sin embargo, metales dúctiles también pueden ser pulverizados,. 9.

(14) IM-2003-I-01. para lo cual es necesario fragilizar previamente el material, utilizando métodos químicos y térmicos.. Las técnicas de obtención de polvos por pulverización mecánica más importantes son el proceso de molienda y el proceso “cold-stream”.. 4.1.1. MOLIENDA. La molienda de materiales tiene una gran importancia económica en la industria de MP.. Esta alternativa de pulverización mecánica es la más utilizada. comúnmente para la producción de polvos de metales duros. La molienda de partículas esponjosas obtenidas por procesos de atomizado, oxidorreducción o deposición electrolítica es un proceso comercialmente utilizado.. Además de. obtener polvos la molienda permite:. −. Reducción del tamaño de la partícula. −. Crecimiento del tamaño de la partícula. −. Cambio de forma de la partícula (a hojuelas). −. Aglomeración. −. Aleación en estado sólido. −. Mezcla en estado sólido. −. Modificación, cambio o alteración de la propiedades del material. −. Mezcla de dos o más materiales. Aunque este tipo de pulverización mecánica es restringida relativamente a materiales duros y frágiles, como el hierro electrolítico, esta técnica es ampliamente utilizada en materiales dúctiles para la obtención de polvos con forma de hojuelas.. 10.

(15) IM-2003-I-01. La molienda se realiza por abrasión e impacto del material por el libre movimiento de una medio duro y suelto como bolas, piedras o barras.. Un molino de bolas se caracteriza por tener un tambor rotatorio, donde se colocan los fragmentos del material a moler con un cierto número de bolas. El movimiento arrastra las bolas y el material hacia arriba en la pared del recipiente y los hace caer para realizar la molienda por una combinación de impacto y rozamiento (ver figura 3). Las velocidades de rotación del tambor son bajas, generalmente entre 50 a 60 rpm, dependiendo del diámetro del tambor, para garantizar que la fuerza centrípeta se mantenga siempre menor a la fuerza gravitacional para que las esferas no roten con el tambor, sino que caigan sobre el material que desea ser molido [Ref. 5]. En un molino de rodillos, el material se comprime contra la mesa horizontal del molino mediante rodillos que giran sobre la superficie de la mesa, la presión de los rodillos sobre la mesa es regulada por soportes mecánicos o medios hidroneumáticos. Un molino vibratorio consiste en un recipiente, revestido en su interior con un metal duro, donde son colocados cuerpos pesados (cilindros o bolas) junto a fragmentos del material que se desea moler. A través de un motor acoplado a un eje excéntrico se obtienen vibraciones a frecuencias elevadas ocasionando que colisionen los cuerpos pesados con los fragmentos. Debido a la gran cantidad de calor generado, el molino debe trabajar sobre una atmósfera protectora con el fin de evitar la oxidación de los polvos durante la molienda.. Fig. 3. Proceso de molienda con bolas [Ref. 6]. 11.

(16) IM-2003-I-01. En cuanto a los materiales reducidos por molienda se destacan: − Metales frágiles (Cr, Sb, Bi, Be) − Aleaciones metálicas frágiles o compuestos intermetálicos (Fe-Al, Fe-Si, Fe-Al-T, Fe-Si-Mn) − Metales dúctiles previamente fragilizados (Fe y Ni esponja). 4.1.2. PROCESO “COLD-STREAM”. COLD-STREAM es un proceso de alta velocidad, en el cual el material es arrastrado por una corriente de gas para ser lanzado sobre un blanco inmóvil. En la figura 4 se muestra un esquema del proceso de molienda por impacto. La presión del flujo de gas varía en alrededor de 7 MPa, generalmente se utiliza helio o argón. Después de que el material haya atacado el blanco y se haya quebrado, es removido de la cámara de impacto por succión. El material es entonces transportado para clasificarlo, lo cual permite que los productos de gran tamaño caigan en un recipiente de almacenaje para el siguiente impacto contra el blanco [Ref. 5].. Fig. 4. Esquema proceso “Cold-Stream” [Ref. 1]. 12.

(17) IM-2003-I-01. La cámara utilizada en el proceso deber estar recubierta con carburo de tungsteno u otro material resistente al desgaste. El inyector y el blanco están generalmente hechos de carburo de tungsteno cementado.. La principal ventaja que ofrece este proceso frente a otras técnicas de pulverización, es la reducción en los problemas de contaminación.. Con este. proceso se pueden obtener polvos con tamaños de partículas inferiores a 10 µm y puede ser utilizada tanto para materiales frágiles como dúctiles.. 4.1.3. ATOMIZADO. El proceso de atomizado es el más utilizado comercialmente para la producción de polvos metálicos. En la figura 5 se muestran diferentes métodos de atomización para producir polvos metálicos. La atomización consiste en dispersar el metal fundido en fina gotas, a solidificándose rápidamente antes de que las gotas tengan contacto entre ellas o con la superficie sólida. El metal fundido es almacenado en un recipiente refractario cuya temperatura es mantenida apreciativamente por encima de la temperatura de solidificación. Mientras que la corriente de metal fundido sale por el inyector, es expulsada una corriente a altas velocidades del fluido que atomiza. El flujo de metal fundido se desintegra en finas gotas que se solidifican durante su caída a través del tanque de atomizado. Las partículas se recogen en el fondo del tanque. El fluido para atomizar puede ser un gas o un líquido. El aire, el nitrógeno y el argón son los gases más comúnmente usados, mientras el líquido más utilizado es el agua [Ref. 8]. En procesos convencionales de atomizado la tasa de flujo de metal fundido a través del orificio del inyector esta entre 4.5 a 9.0 kg/min; en el atomizado con agua, el caudal de agua necesario esta entre 110 y 380 lt/min, con velocidades entre 70 y 230 m/s, y presiones que van desde 5.5 hasta 21.0 MPa; cuando se utiliza gas para atomizar, las tasas típicas de flujo se encuentran entre 1 a 14 m3/min, con presiones entre 380 y 8400 kPa; las velocidades del gas dependen del diseño del inyector, pueden estar entre. 13.

(18) IM-2003-I-01. 20 m/s y velocidades supersónicas. La diferencia de temperaturas entre el punto de fusión del metal y la temperatura a la cual es atomizado es generalmente entre 75 y 150°C [Ref. 3].. Fig. 5. Proceso de Atomizado [Ref. 6]. a) Atomizado con agua. b) Atomizado con gas. c) Atomización centrifuga.. Las ventajas más importantes de un polvo atomizado incluyen control en el tamaño promedio de partícula, distribución de tamaño de partículas, forma de la partícula, composición química (incluyendo composición superficial) y micro estructura. La obtención de partículas más finas o de menor tamaño, es favorecida por una baja viscosidad y baja tensión superficial del metal, diámetro de la boquilla del inyector pequeño, alta presión de atomización, alta velocidad del fluido atomizador, entre otros.. Los polvos obtenidos por atomizado con agua generalmente presentan formas irregulares y relativamente alto contenido de óxidos en la superficie. Los polvos atomizados con gas tienen formas esféricas o redondeadas, y generalmente presentan bajo contenido de óxidos en la superficie [Ref. 8].. Se utiliza comercialmente para la producción de hierro, cobre, aceros para herramienta, aceros de aleación, latón, bronce y metales del bajo punto de fusión, tales como aluminio, estaño, zinc y cadmio. Los metales fácilmente oxidables, por. 14.

(19) IM-2003-I-01. ejemplo las aleaciones de cromo, se están atomizando por medio del gas inerte, especialmente argón.. Hay otros procesos alternativos de atomizado, como lo es la atomización centrífuga en la cual las gotas del metal fundido se descargan de una fuente que gira. Hay básicamente dos tipos de procesos centrífugos de atomización. En el primero una cantidad de metal fundido gira en un eje vertical a una velocidad suficiente para lanzar las gotas, o una corriente del metal se deja caer en un disco o un cono que gira. En el segundo, una barra de metal rota a velocidad constante y el extremo libre es fundido progresivamente, utilizando por ejemplo un arco de haz de electrones o plasma [Ref. 7].. 4.2. PROCESOS QUIMICOS. Los métodos químicos para la producción de polvos metálicos permiten grandes variaciones en las propiedades de los polvos. De acuerdo con las variables de producción y los parámetros utilizados en estos procesos es posible obtener un control en la forma y el tamaño de las partículas.. Los polvos pueden ser. producidos por reducción química, precipitación de una solución y descomposición térmica (obtención de polvos a partir de carbonilas) [Ref. 3].. 4.2.1. REDUCCION QUIMICA. La reducción química comprende una serie de reacciones que buscan reducir los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales.. Un proceso común. consiste en separar los metales de sus óxidos por medio de agentes reductores como el hidrógeno y el monóxido de carbono. El agente reductor se produce para combinarlo con el oxígeno del compuesto y liberar el elemento metálico.. 15.

(20) IM-2003-I-01. Comercialmente se producen por este método polvos de hierro, cobre, tungsteno y molibdeno a partir de sus respectivos óxidos; sin embargo, en menor escala, por oxidorreducción se obtienen también polvos de cobalto y níquel.. Generalmente estos polvos presentan poros en el interior de la partícula, por esto se les conoce como polvos esponja.. Esta esponjosidad es controlada por la. cantidad y el tamaño de los poros; permitiendo una buena compactibilidad (alta resistencia verde) y mayor facilidad de sinterización con dichos polvos [Ref. 3].. La oxidorreducción esta basada en el conocimiento del equilibrio de reacciones de reducción utilizando atmósferas de hidrógeno y carbono.. Los cambios de. monóxido de carbono a dióxido de carbono, de hidrógeno a agua, y de la presión parcial del oxígeno y del fósforo permiten determinar los cambios necesarios para mantener las condiciones de reducción a una temperatura dada y a una presión total del gas de 100 kPa [Ref. 9].. La variable más importante de este método es la temperatura de reducción. Cuando se utilizan bajas temperaturas de reducción se obtienen polvos con poros muy finos, alta superficie libre específica y alta resistencia verde. Temperaturas de reducción altas (>0.6Tm) producen grandes poros y baja superficie libre específica, obteniendo polvos con una alta compresibilidad.. La obtención de polvos de tungsteno y molibdeno a partir de la reducción de sus óxidos es utilizada por razones económicas, debido a que los puntos de fusión de estos metales son muy altos.. 4.2.2. PRECIPITACION DE UNA SOLUCION. La producción de polvos metálicos por hidrometalurgia se basa en la lixiviación de un mineral, seguido por la precipitación del metal de la solución lixiviada. La. 16.

(21) IM-2003-I-01. precipitación del metal de una solución puede ser realizada directamente por electrolisis, cementación o reducción química. Los procesos comerciales más utilizados basados en hidrometalurgia son la cementación de cobre y la separación y precipitación de cobre, níquel y cobalto a partir de soluciones salinas por reducción con hidrógeno (proceso Sheritt Gordon) [Ref. 5].. Este proceso consiste en la precipitación de una solución acuosa utilizando hidrógeno. El ion metálico en la solución reacciona con el gas, a través de la siguiente reacción:. M ++ + H 2 → M 0 + 2H + o si la solución contiene amoniaco:. M ++ + 2 NH 3 + H 2 → M 0 + 2 NH 4+ Generalmente el proceso comienza con una lixiviación del mineral, incluyendo etapas de purificación y separación antes de la reducción.. El potencial de. reducción puede ser calculado comparando el potencial electroquímico del ion metálico con el ion de hidrógeno, como función de la presión parcial del hidrógeno y el pH de la solución. Para que la reducción ocurra el potencial del hidrógeno debe ser mucho mayor que el potencial del metal. Valores de pH altos son necesarios para la producción de níquel y cobalto. Para una reducción completa, el pH es incrementado adicionándole amoniaco.. Polvos de níquel son producidos en grandes cantidades directamente de sus minerales por precipitación.. Alcanzan purezas superiores al 99.8%, donde la. mayoría de las impurezas vienen del cobalto, hierro y azufre, presentes en los minerales de níquel.. 17.

(22) IM-2003-I-01. El uso de aditivos y el control de la nucleación, crecimiento de la partícula y aglomeración de estas permiten la producción de polvos con un amplio rango de tamaños de partículas (1 a 100 µm), densidad aparente y formas, con superficie libre específica entre 1 y 8 m2/g.. 4.2.3. DESCOMPOSICION TERMICA. Del grupo de polvos obtenidos por descomposición térmica, los producidos por descomposición térmica de carbonilas son los más importantes. Las carbonilas son compuestos gaseosos de tipo Me(CO)x , donde Me es el elementos metálico y x. es la cantidad de monóxido de carbono, por ejemplo la pentacarbonila de hierro. Fe(CO)5; las carbonilas pueden ser obtenidas mediante condiciones dadas de presión y temperatura del CO; son gases que pueden ser filtrados y/o destilados por condensación selectiva, dado que poseen temperaturas de condensación distintas. El proceso de obtención de polvos a partir de carbonilas representa gran importancia en la producción de polvos de níquel, sin embargo. también es. utilizado en la producción de polvos de hierro [Ref. 4].. Los polvos son producidos por calentamiento de las carbonilas en tanques a presión atmosférica, bajo condiciones que permitan que los vapores se descompongan en el interior del tanque. Los polvos son recogidos y tamizados, para después realizarles un recocido en hidrógeno.. La pureza de los polvos. puede llegar a ser muy alta (>99.5%), donde las principales impurezas son de carbono, nitrógeno y oxigeno. Se pueden obtener polvos con granulometría muy fina (<10 µm). El tamaño y la forma de las partículas de los polvos obtenidos dependen de la concentración de las carbonilas y de la temperatura de la cámara de descomposición.. Cuando la temperatura y la concentración son elevadas. resulta un polvo mucho más fino; la tendencia a formación de de partículas esféricas crece también con la concentración y la temperatura.. 18.

(23) IM-2003-I-01. La obtención de polvos de hierro y níquel está representada por las siguientes reacciones respectivamente:. Fe + 5CO → Fe(CO )5. (T = 200 a 250 °C, P = 7 a 20 MPa). Ni + 4CO → Ni(CO )4. (T = 200 a 250 °C, P = 7 a 30 MPa). En la figura 6 se observan las formas típicas obtenidas para polvos de hierro y níquel a partir de sus respectivas carbonilas.. Fig. 6. a) Hierro carbonila CC [Ref. 10]. b) Níquel carbonila (estructura dendrítica Spiky) [Ref. 11].. 4.3. PROCESOS ELECTROLITICOS. La deposición electrolítica de un metal, a través de una corriente eléctrica, de un electrolito de una solución salina puede considerarse como un caso especial de un proceso de reducción. En la electrolisis se prepara una celda electrolítica en la cual la fuente de metal a pulverizar es el ánodo. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado, se mueve a través del electrolito y se deposita en el cátodo. El depósito se retira, se lava y se seca, obteniéndose un polvo metálico de alta pureza. El uso más común es la electrodeposición de polvo de cobre a partir de una solución de sulfato de cobre, sin embargo comercialmente se. 19.

(24) IM-2003-I-01. producen polvos de hierro, plata, berilio, tantalio y titanio [Ref. 1]. La figura 7 muestra un esquema de la operación de una celda electrolítica para la deposición de polvos.. Fig. 7. Operación de una celda electrolítica para la deposición de polvo de cobre [Ref. 6].. Existen dos métodos prácticos para obtener polvos por electro deposición: el primero es la deposición directa al adherir libremente el depósito esponjoso para ser posteriormente desintegrado mecánicamente en partículas finas; y el segundo es la deposición de una capa densa, lisa, frágil de metal refinado que puede ser molida para transformarla en polvo.. 20.

(25) IM-2003-I-01. 5. CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS Y SU DETERMINACION. Es de fundamental importancia la descripción adecuada de las propiedades de los polvos para un completo dominio de la tecnología que envuelve la obtención de componentes por metalurgia de polvos.. Solamente de este modo se puede. predecir el comportamiento de los polvos durante su procesamiento [Ref. 5].. Las características de los polvos son básicamente función del proceso utilizado para su producción y de las propiedades propias del material.. Son de gran. importancia las siguientes características:. −. Tamaño de partícula. −. Distribución de tamaño de las partículas. −. Forma de la partícula. −. Superficie libre específica. −. Composición química. −. Densidad aparente. −. Tasa de flujo. −. Compresibilidad. Estás tres últimas características son comúnmente denominadas propiedades tecnológicas del polvo, puesto que interfieren directamente en el proceso de producción de piezas sinterizadas, o más específicamente en la compactación de las piezas [Ref. 5].. Es importante resaltar que todas las características están interrelacionadas. Así, por ejemplo, alterar el tamaño de las partículas de un polvo implica, necesariamente, cambios en la densidad aparente, tasa de flujo, compactabilidad, a variaciones dimensionales de la pieza durante la sinterización.. 21.

(26) IM-2003-I-01. Para determinar las características geométricas de las partículas la microscopia es la técnica más definitiva para el análisis, debido a que en esta técnica se pueden observar y medir las partículas individualmente [Ref. 3].. 5.1. TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE TAMAÑO DE LAS PARTICULAS. El tamaño de las partículas se refiere a las dimensiones de los polvos individuales. La distribución de tamaños de las partículas es el porcentaje en peso, o por número de cada fracción en la cual una muestra de polvo ha sido clasificada de acuerdo a su tamaño [Ref. 12].. El tamaño de las partículas y su distribución dependen del proceso de obtención de los polvos; tienen un efecto importante en el comportamiento de los polvos durante su procesamiento y sobre las propiedades finales de las piezas elaboradas con estos. Además el tamaño de una partícula presenta una influencia significativa sobre las demás características de los polvos. La densidad aparente y de batida, la compresibilidad y la superficie libre específica aumentan, mientras la tasa de flujo disminuye a medida que el tamaño de partículas es menor.. Existen diferentes métodos para determinar el tamaño de las partículas, el más tradicional es el tamizado, sin embargo se han desarrollado diversos métodos electrónicos, que generalmente dan mejores características que las obtenidas por el tamizado, como lo son altas velocidades de medición y mayor sensibilidad a tamaños pequeños. Sin embargo los resultados obtenidos para un mismo polvo pueden presentar grandes variaciones de acuerdo con el equipo y el método utilizado para obtenerlos.. La razón principal por la cual se presentan estas discrepancias se debe a las formas de las partículas. Para formas esféricas la definición del tamaño de la partícula es sencilla, donde generalmente se utiliza el diámetro para caracterizar el tamaño de estas. No obstante muchos polvos metálicos tienen formas irregulares,. 22.

(27) IM-2003-I-01. para las cuales la determinación del tamaño y la distribución de tamaño de las partículas se obtiene a través de la medida de ciertas propiedades como longitud, volumen, masa, área superficial proyectada, dispersión, perturbación de campos eléctricos, entre otras; con el fin de calcular el equivalente al diámetro de una partícula esférica.. La tabla 1 resume algunos de los métodos para determinar el tamaño de las partículas y su distribución. Tabla 1. Métodos para determinar el tamaño y distribución de tamaño de las partículas [Ref. 1].. Principio de medición. Método. Agitación mecánica o con ultrasonido Microscopio. Tamizado Optico Electrónico Contador de cuchilla Zona de detección eléctrica Sedigrafía Suspensión en corriente de aire Micromerografía Microtrac HIAC Adsorción de gas (BET). Resistividad Eléctrica Sedimentación. Dispersión de luz Oscurecimiento de luz Area superficial. Rango de tamaño aproximado (micras) 5 ~ 800 0.5 ~ 100 0.001 ~ 50 0.5 ~ 800 0.1 ~ 2000 0.1 ~ 100 5 ~ 40 2 ~ 300 2 ~ 100 1 ~ 9000 0.01 ~ 20. 5.1.1. TAMIZADO. Es el método más utilizado para determinar esta característica en los polvos metálicos. Este método implica pasar el material a través de las aberturas de un tamiz. La distribución de tamaño de partículas entonces se obtiene como el porcentaje en peso conservado en cada una de la serie de tamices. Los tamices son colocados en orden, con el de mayor abertura en la parte superior hasta colocar una base en la parte inferior. Para este método se coloca una cantidad apropiada de material sobre el tamiz superior, luego se procede a agitar por un período específico de tiempo, de acuerdo con las normas estandarizadas y finalmente se pesa el contenido retenido en cada uno de los tamices. Existen. 23.

(28) IM-2003-I-01. diferentes métodos para agitar la serie de tamices con el fin de lograr que las partículas atraviesen las aberturas que tiene cada tamiz, entre los que se encuentran: agitación manual y mecánica (ver figura 8), movimiento giratorio con o sin golpeteo, vacío, vibración mecánica y electromagnética, entre otros.. Fig. 8. Equipo de tamizado por agitación mecánica (Ro-tap) [Ref. 3].. Un tamiz es una malla, elaborada en alambre de bronce fosforado o de acero inoxidable, con aberturas del mismo tamaño. El número del tamiz se refiere al número de aberturas por pulgada lineal de la malla. Un tamiz No 200 tiene 200 aberturas por pulgada lineal; en consecuencia un número alto de tamiz indica menor tamaño d partícula.. La tabla 2 presenta una descripción del tamaño. estándar de las aberturas de los tamices de acuerdo con la norma ASTM E 11. Tabla 2. Serie estándar de tamices [Ref. 12].. Tamiz No. 30 40 50 60 80 100 140 200 230 325. Tamaño abertura µm in. 600 0.0232 425 0.0164 300 0.0116 250 0.0097 180 0.0069 150 0.0058 106 0.0041 76 0.0029 63 0.0024 45 0.0017. Se han estandarizado diferentes normas para la determinación del tamaño y distribución de tamaño de partícula por este método entre los que se encuentran la. 24.

(29) IM-2003-I-01. ASTM B214, la ISO 4497 y la MPIF 05. Todas estas presentan requerimientos similares, como los son los tamaños de los tamices (de acuerdo con la norma ASTM E11), la cantidad de cada muestra (100 g para metales con densidad aparente mayor a 1.5 g/cm3 y 50 g para metales con densidad aparente menor a la anteriormente mencionada), el tiempo de agitación (15 minutos si se utiliza un agitador mecánico), finalmente todas estas normas requieren que la cantidad retenida en la base sea menor al 0.1% de la muestra para que los resultados sean válidos.. 5.1.2. MICROSCOPIA Y ANALISIS DE IMAGEN. La microscopia es una técnica donde se observan y se miden las partículas individualmente. Muchas de las técnicas utilizadas para obtener estás medidas son subjetivas, debido a la forma de las partículas estudiadas, ya que muchas de estas tiene formas irregulares cuando son observada a través del microscopio. De ahí que resulten diferentes medidas para cada partícula, todas con el objeto de clasificar la imagen en dos dimensiones obtenida del microscopio en términos de una partícula esférica equivalente [Ref. 3].. Entre las medidas típicas se. encuentran (ver figura 9):. −. Diámetro de Feret (F): Máxima longitud de una partícula medida en una dirección fija.. −. Diámetro de Martin (M): Longitud de una línea horizontal que divide el área de la imagen de la partícula en dos partes iguales, todas las partículas se deben medir en la misma dirección.. −. Diámetro del área proyectada (da): Diámetro de un círculo de igual área que la proyectada por la partícula.. −. Mayor dimensión (Fmax ): Máximo diámetro de Feret para cada partícula, no tiene sistema de dirección fijo.. 25.

(30) IM-2003-I-01. −. Diámetro del perímetro (dp ): Diámetro de un círculo que tenga la misma circunferencia que el perímetro de la partícula.. Fig. 9. Técnicas para medir tamaño a partículas con formas irregulares [Ref. 5].. 5.1.3. QELS (Quasi Elastic Light Scattering). La luz puede ser tratada como una onda electromagnética. Las oscilaciones del campo electromagnético inducen oscilaciones en los electrones de las partículas. A través de los años muchas características de la dispersión de la luz han sido utilizadas para determinar los tamaños de las partículas. Estas incluyen:. −. Cambios en la intensidad promedio como función del ángulo.. −. Cambios en la polarización.. −. Cambios en la longitud de onda.. −. Fluctuaciones alrededor de la intensidad promedio.. Este último fenómeno es la base para el QELS, esta es la técnica utilizada por el 90Plus Particle Sizer (ver figura 10).. 26.

(31) IM-2003-I-01. Fig. 10. Equipo para determinar el tamaño de partículas mediante QELS. 90Plus Particle Size.. La figura 11 presenta un esquema del principio utilizado por el método QELS. Al colocar un detector de luz fijo a un ángulo con respecto a la dirección de la luz incidente, y a una distancia fija de la solución, la cual contiene un gran número de partículas dispersas. La luz dispersada por cada partícula alcanza el detector. Debido al movimiento aleatorio de las partículas en el fluido, las distancias que viajan las ondas dispersas al detector varían en función del tiempo. Las ondas dispersadas pueden interferir constructiva o destructivamente dependiendo de las distancias viajadas al detector.. El resultado es una intensidad promedio con. fluctuaciones superpuestas. El decaimiento del tiempo de las fluctuaciones está relacionado con las constantes de difusión y por consiguiente con el tamaño de las partículas. Los tiempos de decaimiento de estas fluctuaciones pueden determinarse ya sea en el dominio de frecuencia o de tiempo. En este último generalmente se obtiene mayor eficiencia en las medidas, y se hace utilizando el concepto de correlación.. Matemáticamente la correlación es defina como el. promedio del producto de dos cantidades. La auto correlación es justamente el promedio del producto de la variable con una versión retardada de ella misma.. Fig. 11. Esquema del de principio de dispersión de la luz [Ref. 3]. 27.

(32) IM-2003-I-01. Para lograr una descripción sencilla del movimiento aleatorio de las partículas en un líquido aumentando las fluctuaciones en el tiempo de intensidad de la luz dispersa; la señal de fluctuación es procesada mediante la formación de auto correlación, C(t), siendo t el tiempo de retardo [Ref. 13].. Como t se esta. incrementando el valor de la correlación se pierde, por lo cual está función guarda el valor de la correlación en el término B. Para tiempos cortos el valor de la correlación es alto. La función está dada por,. C (t ) = Ae −2 Γ t + B. Ec. 1. Donde A es una constante determinada por el instrumento, y Γ está relacionado con la relación de fluctuaciones por,. Γ = D⋅ q2. [rad/s]. Ec. 2. El valor de q es calculado del ángulo de dispersión θ, la longitud de onda del láser λ0 y el índice de refracción n del liquido.. La ecuación que relaciona estas. variables es. q=. 2πn θ  2seno  λo 2. Ec. 3. El coeficiente de difusión D, es la principal medida utilizada por QELS, y es una característica intrínseca de la partícula.. El tamaño de la partícula esta relacionado con D de acuerdo a la forma de las partículas. Por ejemplo para el caso de una esfera se tiene,. D=. k BT 3πη(t ) d. [cm2/s]. Ec. 4. 28.

(33) IM-2003-I-01. Donde kB es la constante de Boltzmann (1.38054x10-16 ergs/º), T es la temperatura en K, η(t) es la viscosidad del líquido en el cual las partículas se están moviendo (en centi poise), y d es el diámetro de la partícula. Está ecuación asume que las partículas se mueven independientemente. El 90Plus Particle Size asume que todas las partículas tienen forma esférica.. 5.2. FORMA DE LAS PARTICULAS. La forma de las partículas es la primera característica que debe ser tenida en cuenta cuando se quiere determinar el óptimo uso de un polvo metálico. Debido a que el comportamiento de características como la tasa de flujo, la densidad aparente, compresibilidad, la superficie libre específica. y la sinterización,. dependen de la forma de las partículas [Ref. 3].. Para la determinación de la forma de las partículas se utilizan conceptos cualitativos basados en la dimensión y el contorno de la partícula. De acuerdo con estos conceptos se han hecho algunos modelos para representar la forma de las partículas.. De acuerdo con el método de producción de los polvos y los. parámetros utilizados en el proceso, las partículas se pueden clasificar de acuerdo con la norma ISO 3252 en (ver figura 12):. −. Esférica. −. Nodular o redondeada. −. Fibrosas (con aspecto de fibras). −. Acicular (forma de agujas). −. Angular (aproximadamente poliedros). −. Dendrítica (con varias ramificaciones). −. Hojuelas (“Flaky Powders”, con aspecto de laminas). −. Porosa. −. Irregular (ausencia de simetría). 29.

(34) IM-2003-I-01. Fig. 12. Esquematización cualitativa de la forma de las partículas de acuerdo con la norma ISO 3252. Las técnicas de producción de polvos favorecen a la formación de partículas con formas irregulares y angulares. Métodos que utilización procesos de reducción química generalmente producen estructuras porosas, la mayoría de las veces de forma granular. Las formas dendríticas son obtenidas por lo general de procesos electrolíticos. Partículas esféricas o redondeadas pueden ser obtenidas a partir carbonilas y de procesos de atomizado, sin embargo estos dos últimos procesos también permiten la obtención de formas irregulares. En el caso particular de las técnicas de atomizado las formas irregulares se obtienen más fácilmente mediante atomización con agua que por gas (ver figura 13).. Fig. 13. Forma de partículas de hierro atomizadas con gas (a) y con agua (b) [Ref. 8 y 9]. 30.

(35) IM-2003-I-01. Con el fin de determinar de representar cualitativamente la forma de las partículas se han desarrollado múltiples factores de forma, la tabla 3 muestra una lista de los más frecuentemente usados. La aplicabilidad y/o limitaciones de estos factores están relacionadas con los parámetros de forma. Para determinar estos factores se utiliza una técnica llamada estereología, que consiste en el estudio de estructuras tridimensionales a partir de secciones o proyecciones en dos dimensiones.. Los parámetros utilizados por esta técnica deben satisfacer los. siguientes requisitos: − Sensibilidad de forma. − Independencia de otras propiedades geométricas. − Accesibilidad Los factores de forma más utilizados son los de Hausner. La metodología para calcular estos factores, consiste en dibujar un rectángulo con el área mínima alrededor de la sección de la. transversal de la partícula observada en el. microscopio (ver figura 14). La elongación de la partícula se calcula como el cociente entre las dos longitudes de los lados del rectángulo,. Factor de elongación, x =. a b. El cociente del área (A) proyectada de la partícula con el área del rectángulo envolvente de área mínima (a x b) está relacionado con el volumen de la siguiente manera,. Factor de volumen, y =. A a ×b. 31.

(36) IM-2003-I-01. Tabla 3. Factores de forma y sus definiciones [Ref. 3] Superficie del volumen específico (SV ). SV =. S V. S: V:. Área superficial de la partícula Volumen de la partícula. a: b: A: c:. Largo del rectángulo envolvente de menor área. Ancho del rectángulo. Área proyectada de la partícula. Perímetro de la sección proyectada.. Bh:. Anchura, es la mínima distancia entre dos planos paralelos y. Hausner Cociente de elongación (x). x=a b Factor de volumen (y). y = A ab. Factor de superficie (z). z = c 2 4πA Cocientes de Heywood Cociente de elongación (n). n = Lh B h. perpendiculares al plano Th. Cociente laminar (m). m = Bh Th. Th:. Espesor, mínima distancia entre dos planos paralelos tangenciales a la. Lh:. partícula, uno de los cuales es el plano de máxima estabilidad Largo, distancia entre dos planos paralelos, que sean perpendiculares a los planos Bh y Th.. da: S: V:. Diámetro de un circulo que tiene la misma área proyectada. Area superficial de la partícula. Volumen de la partícula.. Factor de forma de Heywood (Φ Φ h). φh = f k S d a3 V k= 3 da f =. Para esferas: n = m = 1, Φh = 6.. Krumbein Esfericidad (ψK ).  T  B  Ψk = 3  k  k   Bk  Lk . 2. Lk: Bk: Tk:. Longitud mayor de la partícula. Ancho de la partícula. Medido perpendicular a Lk Espesor de la partícula. dm: dp:. Longitud de la cuerda mayor que pasa a través del centroide. Longitud de la cuerda que pasa a través del centroide y es perpendicular a dm.. CAR (Centroid Aspect Ratio). CAR =. dm dp. 32.

(37) IM-2003-I-01. Para la describir la superficie de la partícula, se utiliza el factor de superficie, z, que no es más que la comparación de la superficie de la partícula con la superficie de una esfera de igual volumen, o a través de la sección proyectada así,. Factor de superficie, z =. c2 4πA. Donde c es el perímetro de la seccione proyectada. Para partículas esféricas, z = 1; y para cualquier otro tipo de forma, z > 1.. A: Área superficial proyectada de la partícula a: Largo del rectángulo b: Ancho del rectángulo c: Circunferencia de la partícula proyectada. Fig. 14. Parámetros para determinar los factores de Hausner [Ref. 3]. 5.3. SUPERFICIE LIBRE ESPECÍFICA. La superficie específica está definida como la cantidad de superficie libre total por unidad de masa, expresada en cm2/g. Cuanto más fino y poroso mayor es su superficie libre específica.. Esta propiedad está relacionada con el comportamiento del material durante el sinterizado.. Compuestos de polvos de granulometrías finas son sinterizados. considerablemente más rápido que aquellos obtenidos de polvos más gruesos. Este efecto está relacionado directamente con la superficie libre específica del polvo, ya que está aumenta a medida que se obtienen polvos más finos.. 33.

(38) IM-2003-I-01. El método más utilizado para determinar la superficie libre específica es el de adsorción de gas o método BET (Brunauer-Emmet-Teller) [Ref. 4], el cual está basado en la determinación de la cantidad de gas inerte adsorbido sobre la superficie de las partículas, incluyendo la superficie que conecta los poros de la partícula. El método consiste en cubrir la superficie de las partículas con una capa monomolecular de gas. El nitrógeno es el gas más utilizado comercialmente. Se pude calcular la superficie libre específica (SE) de un polvo aplicando la siguiente ecuación: SE =. m⋅N ⋅ A M. Donde m es la cantidad de gas, M la cantidad de polvo, A es el área cubierta por una molécula, y N es el número e moléculas por m3 de gas. Los valores típicos de A son: 0.162 mm2 para nitrógeno, 0.138 mm2 para argón, y 0.202 mm2 para criptón.. 5.4. DENSIDAD APARENTE. La densidad aparente es la densidad de una masa de polvo suelto, es decir sin haber recibido vibración o compactación.. Esta depende de la densidad del. material sólido, el tamaño de la partícula y su distribución, la forma de la partícula, y del área superficial y rugosidad de cada partícula. Se expresa en g/cm3 [Ref. 5].. La disminución del tamaño de las partículas disminuye la densidad aparente, debido a que en partículas pequeñas es mayor la superficie libre específica del polvo, se incrementa la fricción entre las partículas y por consiguiente la densidad aparente decrece. El efecto de la disminución del tamaño de las partículas sobre la densidad es significativo para tamaños menores a 20 µm [Ref. 5].. En la tabla 4 se muestra la densidad aparente de diferentes polvos variando el tamaño de las partículas.. 34.

(39) IM-2003-I-01. Tabla 4. Efecto del tamaño de partícula sobre la densidad aparente para diferentes polvos metálicos [Ref. 3] Diametro promedio de partícula. ( µ m). Densidad aprente (g/cm^3). 5,8 6,8 15,5 17,0 18,0. 0,62 0,75 0,98 1,04 1,09. Carbonila Precipitación Carbonila Carbonila. 3,2 3,5 3,8 4,1. 0,61 1,81 1,81 1,87. Precipitación Precipitación. 4,4 8,0. 2,10 2,09. 1,2 2,5 2,9 6,9 26,0. 2,16 2,52 3,67 4,40 10,20. 6,0 7,0 51,0 53,0 63,0 68,0 78,0. 0,97 3,40 2,19 2,05 2,56 3,03 3,32. Material. Aluminio Atomizado. Níquel. Tungsteno Oxidorreducción. Hierro Reducción Carbonila Reducción Electrolítico Electrolítico Reducción Electrolítico. Polvos esféricos, normalmente producidos por atomizado, poseen una elevada densidad aparente, puede llegar al 50% del peso específico del metal. Polvos con formas irregulares presentan densidades aparentes menores, variando en una rango entre el 25 y 35% del peso especifico del metal. Finalmente polvos con partículas con formas de hojuela presenta densidades aparentes menores al 10% del peso específico del material. La figura 15 muestra el efecto de la forma de las partículas en la densidad aparente.. 35.

(40) IM-2003-I-01. Fig. 15. Efecto de la forma de las partículas en la densidad aparente [Ref. 3].. Un último aspecto a considerar se refiere a la rugosidad superficial de las partículas de polvo.. La disminución del área superficial y de la rugosidad. superficial tiende a reducir las fuerzas de fricción entre las partículas.. Esta. tendencia induce a una incremento en la densidad aparente, ya que permite un movimiento de las partículas más efectivas para llenar lo espacios libres entre las partículas que ya se han asentado [Ref 3].. Existen diferentes equipos para determinar la densidad aparente de polvos metálicos [Ref. 12]. El más comúnmente utilizado es el aparato de Hall. Las normas ASTM B 212 y MPIF 04 describen el procedimiento para determinar la densidad aparente con este equipo. Para polvos que no fluyen fácilmente, existe un segundo método, descrito por las normas ASTM B 417 y MPIF 28, el procedimiento es similar al utilizado con el aparato de Hall, sin embargo en este método se utiliza el embudo de Carney. La diferencia entre estos dos embudos consiste principalmente en la dimensión del diámetro del orificio de descarga, siendo mayor en el embudo de Carney (5.0 mm), por los cual este aparato se utiliza en polvos con características de flujo pobres, que debido a su granulometría tienden a formar aglomeraciones.. Otro instrumento frecuentemente usado para. determinar la densidad aparente, es el volúmetro de Scott, el procedimiento para la utilización de este equipo esta dado por la norma ASTM B 329. Finalmente otro dispositivo para determinar la densidad aparente de polvos metálicos es el metro de Arnold, la metodología para el uso de este aparato está descrita en la norma. 36.

(41) IM-2003-I-01. MPIF 48.. En la figura 16 se ven diferentes equipos utilizados para la. determinación de la densidad aparente de polvos metálicos.. Fig. 16. Equipos para la determinación de la densidad aparente de polvos metálicos [Ref. 14 y 15]. a) Aparato de Hall. b) Embudo de Carney. c) Volúmetro de Scott.. 5.5. DENSIDAD DE BATIDA (TAP DENSITY). La densidad de batida esta definida. como la máxima densidad de un polvo. cuando el volumen acumulado es golpeado o vibrado, sin la aplicación de presión externa. Golpear ligeramente o vibrar un polvo suelto induce el moviendo y la separación de las partículas, al igual que disminuye la fricción entre estas; resultando que la densidad de batida sea siempre mayor que la aparente. La densidad de batida es función de la forma, porosidad y distribución de tamaño de las partículas [Ref. 5]. La tabla 5 muestra el incremento en la densidad para diferentes tipos de polvo de cobre.. Los procedimientos para la determinación de la densidad de batida están descritos en las normas ASTM B 527, MPIF 46 o ISO 3953. Primero se debe limpiar y secar cuidadosamente el interior del cilindro graduado, se pesa la cantidad de muestra de acuerdo con las recomendaciones de la tabla 6; luego se introduce la muestra dentro del cilindro graduado, finalmente se golpea el cilindro lleno, ya sea con un dispositivo mecánico o con la mano sobre una losa de caucho, hasta que no se. 37.

(42) IM-2003-I-01. disminuya el volumen de la muestra. La densidad de batida se calcula de la siguiente manera: ρt =. m v. donde m es la masa de la muestra en gramos, y v es el volumen ocupado por la muestra después de haber sido golpeado [Ref. 12]. Tabla 5. Efecto de la forma de la partícula en polvos de cobre [Ref. 3]. Forma de Partícula. Densidad aparente (g/cm^3). Densidad de batida (g/cm^3). Incremento %. 4,5 2,3 0,4. 5,3 3,14 0,7. 18 35 75. Esférica Irregular Hojuela. La distribución de tamaños es igual para la determinación de la densidad aparente y de batida. Tabla 6. Tamaño de las muestras según norma MPIF 46 [Ref. 12] Densidad aparente (g/cm^3). Capacidad del cilindro mL. Masa de la muestra g. <1 1-4 >4. 100 100 25. 50 ± 0,2 100 ± 0,5 100 ± 0,5. La figura 17 muestra el equipo utilizado para calcular densidad aparente de polvos metálicos.. Fig. 17. Equipo para la determinación de densidad de batida [Ref. 16].. 38.

(43) IM-2003-I-01. 5.6. TASA DE FLUJO. La tasa de flujo puede ser definida como la capacidad que tiene el polvo de fluir libremente en función de su propio peso. Es el tiempo requerido para que una muestra de polvo, con peso estándar (50g), fluya bajo condiciones atmosféricas a través del orificio de un embudo a la cavidad de un molde o recipiente. Está propiedad ejerce una directa influencia sobre la velocidad de producción con prensas automáticas; ya que de la tasa de flujo depende lo rápido y uniforme del llenado en los moldes [Ref. 5]. El flujo de polvo durante la alimentación de la cavidad del molde puede ser incrementado por golpeteo o con vibración.. Características propias de la superficie de las partículas, tales como películas de óxidos y lubricantes, tiende a afectar el flujo libre del polvo. La presencia de una película de óxido sobre la superficie de la partícula aumenta la fricción entre las partículas y por consiguiente tiende a aumentar su tasa de flujo. En términos de lubricantes, desde un punto de vista práctico, cuanto mayor es la cantidad de lubricante menor es la tasa de flujo de un polvo metálico. Un pequeño aumento en la tasa de flujo se logra cuando son adicionadas cantidades pequeñas de lubricante [Ref. 3]. La tabla 7 muestra la incidencia de los lubricantes en la tasa de flujo para diferentes polvos metálicos. Características pertinentes al material, como la densidad teórica, fuerzas de interacción electrostática entre las partículas y propiedades superficiales de estas, también influyen en el flujo libre del material. Entre menor sea el peso especifico de un material mayor será su tasa de flujo.. Las demás características de los polvos, en especial la forma y el tamaño de las partículas, ejercen también una influencia considerable sobre el flujo. Con relación a la forma, las partículas esféricas presentan muy buena tasa de flujo. A medida que aumenta la irregularidad de la forma de las partículas disminuye el flujo. Con respecto al tamaño, polvos con granulometrías muy finas (<44 µm) no pueden fluir. 39.

(44) IM-2003-I-01. por su propio peso, debido a que las fuerzas de atracción electrostáticas inducen la formación de aglomeraciones.. Tabla 7. Tasa de flujo de polvos metálicos a través de los embudos de Hall y Carney [Ref. 3]. POLVO METALICO Material. TIPO. (% en peso). DENSIDAD APARENTE g/cm^3. LUBRICANTE. TASA DE FLUJO (s) Embudo Embudo de Hall de Carney. Hierro. MP-35HD. Z-S Z-S Z-S Z-S Z-S. 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00. 2,81 3,12 3,05 3,02 3,00. 25,77 23,37 25,93 26,80 27,57. 5,62 5,16 5,30 5,41 5,59. Hierro. MH-100. Z-S Z-S Z-S Z-S Z-S. 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00. 2,48 2,97 2,93 2,86 2,87. 30,14 23,23 26,39 28,97 30,42. 6,26 5,14 5,47 5,80 6,12. Hierro. A-Met 1000. Z-S Z-S Z-S Z-S Z-S. 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00. 2,94 3,27 2,98 3,18 3,18. 26,24 23,89 28,30 25,46 25,58. 5,34 5,04 5,55 5,41 5,45. Acero. 304-L. L-S L-S L-S L-S. 0,00 0,50 0,75 1,00. 2,61 3,08 3,01 3,02. 30,62 29,43 33,20 37,51. 5,92 5,80 6,42 7,13. Bronce. B-126. L-S L-S L-S. 0,00 0,25 0,50. 2,89 3,06 3,14. 33,26 33,52 38,70. 5,51 5,77 6,38. Los procedimientos para la determinación de la tasa de flujo están descritos por las normas ASTM B 213, MPIF 03 y la ISO 4490.. 5.7. COMPOSICION QUIMICA. Desde un punto de vista químico, los polvos metálicos se pueden clasificar en elementales y prealeados. Los polvos elementales consisten en un metal puro y. 40.

(45) IM-2003-I-01. se usan en aplicaciones donde la alta pureza es importante. En los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que contiene la composición química deseada.. La presencia de contaminantes tiene un efecto perjudicial tanto en la compresibilidad como durante el proceso de sinterización del material [Ref. 5]. La composición química de un polvo es un factor importante en la determinación de las condiciones iniciales de la compactación, específicamente la habilidad del polvo a densificarse. La composición exacta del material determina el tipo y la extensión de las reacciones entre el compuesto y la atmósfera de sinterización. La composición determina la temperatura y el tipo de atmósfera requeridos durante la sinterización. Por consiguiente las propiedades finales de un material sinterizado generalmente dependen de la composición del material. Las películas superficiales son un problema en la MP debido a la gran área por unidad de peso del metal cuando se trata de polvos. Las posibles películas incluyen óxidos, sílice, materiales orgánicos adsorbidos y humedad. Por lo general estas películas deben retirarse antes de procesar las piezas.. Un caso típico es la contaminación de polvo de hierro en sus intersticios con carbono y oxígeno. Superficies de óxido envolviendo partículas de polvo de hierro perjudican la sinterización del material, ya que dificultan la difusión del átomo metálico a través de estas. Debido a esto los procesos de sinterización de polvos de hierro son realizados en atmósferas reductoras de protección.. Con el propósito de evitar la oxidación de los polvos metálicos durante el tiempo de almacenamiento o transporte, estos deben ser guardados en lugares secos y en recipientes sellados.. Debido a la elevada energía superficial, los polvos. metálicos tienden a oxidarse fácilmente en condiciones ambientales.. 41.

(46) IM-2003-I-01. 5.8. COMPRESIBILIDAD. La compresibilidad o compactabilidad son términos utilizados para describir hasta que punto cualquier masa de polvo puede densificarse por la aplicación de presión o por medio de vibración. Está propiedad es generalmente expresada como la densidad verde obtenida en una pieza compactada, para una presión de compactación dada. Un término relacionado es el cociente de compresión, el cual se calcula como el cociente entre la densidad final después de haber aplicado la presión y la densidad aparente del polvo.. Las características de compactado dependen de dos medidas de densidad, la real y la aparente. En la compactación se aplica alta presión a los poros para darles la forma requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un dado. La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un reempacado de los polvos en un arreglo más eficiente, elimina los puentes que se forma durante el llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el número de puntos de contacto entre las partículas, reduciendo el volumen de los poros.. Durante la compactación de un material, la densidad y la resistencia verdes de una pieza compactada aumentan con la presión aplicada, en función del aumento del área de contacto de las partículas. En la figura 18 se muestra el efecto de la presión aplicada densidad durante la compactación. La densidad y la resistencia verde dependen tanto de las propiedades mecánicas del material, en especial la dureza y ductilidad, como también de las características del polvo.. Piezas. compactada con polvos metálicos dúctiles presentan mayores densidades y resistencias verdes, es decir alta compresibilidad, que las obtenidas con polvos metálicos más duros, debido a que las partículas de polvos dúctiles se deforman más rápido, produciendo mayores áreas de contacto entre si. Partículas porosas tienden a contener aire dentro de sus poros durante la el proceso de prensado, lo cual disminuye la compresibilidad del polvo.. 42. Polvos con una distribución de.

(47) IM-2003-I-01. tamaño uniforme presentan relativamente pobre compresibilidad. Otro factor que afecta la compactabilidad de los polvos es la presencia de óxidos, ya que debido a su elevada dureza y bajo peso específico reducen la compresibilidad. De modo general, la pureza química de un polvo metálico es de fundamental importancia para obtener una buena compactabilidad del material.. Fig. 18. Efecto de la presión durante la compactación [Ref. 1]. Los procedimientos para determinar la compresibilidad de polvos metálicos esta descrito por las normas ASTM B 331, MPIF 45, y la ISO 3927. Estos estándares determinan la compresibilidad con compresión uniaxial. Se utiliza generalmente una probeta cilíndrica o rectangular para el proceso de prensado, donde la carga es aplicada simultáneamente en los dos extremos de la probeta.. La presión. requerida para conseguir una densidad específica es la medida de la compresibilidad. La compactabilidad también puede ser medida como la densidad obtenida para una presión dada. La curva de compresibilidad puede ser obtenida graficando la densidad calculada para diferentes valores de presión. La probeta circular tiene un diámetro de 25 mm, y una altura entre 12.7 y 25 mm; mientras la rectangular tiene 12.7 mm de ancho, 31.8 mm de largo, y una altura entre 5 y 7 mm.. 43.

(48) IM-2003-I-01. 6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y METODOLOGIA. Para la caracterización de los polvos metálicos se realizaron diferentes pruebas, basadas. en. normas. estandarizadas. y. descritas. según. los. siguientes. procedimientos experimentales [Ref. 8].. 6.1. FORMA DE LA PARTÍCULA. Por medio de imágenes obtenidas de un microscopio óptico (ver figura 19), se determinó cualitativamente la forma de las partículas de las 18 diferentes clases de polvos donados para el proyecto, de acuerdo con la norma ISO 3252, y basados en la dimensión y el contorno de la partícula. La figura 20 será utilizada como patrón de comparación para determinar la forma de las partículas.. De. acuerdo con el tamaño de los polvos se utilizaron aumentos de 100x, 200x y 500x.. Fig. 19. Microscopio óptico Leitz Metallux II. Para el calculo de los factores de Hausner, la metodología consiste en dibujar un rectángulo con el área mínima alrededor de la sección de la transversal de la partícula observada en el microscopio y así poder calcular los valores para los factores x, y, y z, mediante las ecuaciones descritas en la tabla 3. El cálculo del. 44.

(49) IM-2003-I-01. perímetro y del área de la sección de la partícula se hizo a partir de una cuadrícula superpuesta sobre la imagen, como lo muestra la figura 16.. Fig. 20. Forma de partículas. (a) Esponja. (b) Dendrítica. (c) Hojuela. (d) Irregular. (e) Esférica [Ref. 6]. 6.2. TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE TAMAÑO DE LAS PARTICULAS. Para la determinación de estas características se utilizaron dos métodos: microscopia óptica y QELS (Quasi Elastic Light Scattering).. 6.2.1 MICROSCOPIA OPTICA. Por medio de imágenes obtenidas a partir del microscopio óptico Leitz Metallux II, se determina el tamaño da las partículas, calculado como el diámetro de Feret (F). Es necesario utilizar un ocular con divisiones marcadas para poder calcular dichos diámetros.. El tamaño de la partícula está relacionado con el aumento de la. imagen dada por el microscopio; la tabla 8 muestra los valores del tamaño de una (1) división del ocular en función del aumento, por ejemplo si el aumente es 200x,. 45.

(50) IM-2003-I-01. una división del ocular equivale a 5 µm. Es importante tener en cuenta que se debe lograr tener la mayor dispersión de las partículas, debido a que la resolución obtenida por el microscopio óptico no es la mejor. De cada muestra se obtuvieron 10 imágenes.. Se cuentan el número de partículas que se encuentran en cada rango de tamaño, calculando su porcentaje del total de partículas contadas. A partir de este porcentaje se obtiene el porcentaje acumulado, como el porcentaje de partículas de la muestra que tiene menor o igual tamaño del total de la muestra. La curva granulométrica se puede obtener graficando el porcentaje acumulado contra el tamaño promedio de cada rango, en escala logarítmica. El valor del dx es el tamaño correspondiente al x% de la muestra; por ejemplo, si para una muestra el d50 = 50 µm, quiere decir que el 50% de las partículas de la muestra tienen tamaños iguales o menores a 50 µm. Tabla 8. Equivalente de una (1) división en el ocular en función del aumento.. Aumento. Tamaño (µ m). 50x 100x 200x 500x 1000x. 20 10 5 2 1. 6.2.2. QELS (Quasi Elastic Light Scattering). Para polvos con granulometría fina se utilizó el 90Plus Particle Sizer, el cual funciona con el principio QELS, debido a que polvos con partículas de tamaños mayores no se logran mantener suspendidas en el agua.. 46.