Metalurgia de polvos Pulvimetalurgia

Metalurgia de polvos

Pulvimetalurgia

¿Cómo trabajar estos metales?

ELEMENTO

TEMP. DE

FUSIÓN

(ºC)

Tungsteno

3410

Renio

3180

Osmio

3000

Tantalio

2996

Metalurgia de polvos

• 3000 AC: los egipcios producían utensilios de hierro

a partir de hierro esponja.

• Tribus primitivas de África transformaban el hierro

esponja en polvo, lo clasificaban y lo trabajaban.

• Edad Media: se usaban polvos de oro, plata, cobre

para ornamentos.

• 1829: se logró platino a partir de esponja del metal. • Edison utiliza un filamento de osmio, tantalio y

tungsteno.

Definición de polvos

 Es un sólido finamente dividido con dimensión menores a 1mm.

 Su comportamiento es intermedio entre un sólido y un liquido.

 Son compresibles como los gases, pero su compresión es irreversible.

Proceso de obtención

 1. La mezcla: Se deben mezclar los polvos

metálicos con sus respectivas adiciones, creando una mezcla homogénea de ingredientes.

 2. El compactado: Se compacta la mezcla

(presión elevada) obteniendo así la forma y el tamaño deseado de la pieza.

Este compactado sólo requiere la suficiente cohesión para ser manejado con seguridad y transportado a la siguiente etapa

(aglomerado verde).

Una vez obtenidos los polvos metálicos se puede resumir en tres etapas principales:

Proceso de obtención

 3. El sinterizado: Se ingresan las piezas (aglomerado verde) a un horno con

temperatura controlada e atmósfera inerte que no exceda el punto de fundición del metal

base.

 Se logra así la resistencia mecánca requerida y otras propiedades deseadas.

Preparación de los

polvos de metal

Obtención de polvos

 Hay una gran variedad de procesos para producir polvos de metales.

 Existe una relación entre un método específico de producción de polvos y las propiedades

deseadas de los productos de metalurgia de polvos.

 Métodos más importantes: - Atomización - Reducción de óxidos

Atomización

 En este proceso, Se pasa el metal líquido por una boquilla en cuanto un flujo (gas: aire, N, Ar o

liquido: agua) separa el metal en pequeñas gotas que luego son congeladas rápidamente antes de que entren en contacto entre ellas o con una

superficie sólida.

 Variando diferentes parámetros del proceso se puede controlar el tamaño de las partículas.

 En principio la técnica es aplicable para todos los metales que se puedan fundir pero es

comercialmente utilizada para la producción de polvos de Hierro, Cobre, Aceros, Bronce,

Aluminio, Plomo y Zinc.

Atomización

 Su principal ventaja es su flexibilidad: produciendo

polvos de diferentes finuras y uniformes.

 Comercialmente utilizado

para metales con bajo ponto de fusión

Reducción de óxidos

 Este proceso ha sido, por mucho tiempo el más utilizado para la producción de polvo de hierro.

 Es un método conveniente, económico y flexible para producir polvos.

 Se reducen los óxidos metálicos a polvos metálicos poniéndolos en contacto con un gas reductor a una temperatura inferior a la de fusión.

 La materia prima seleccionada es aplastada y mezclada con carbón y llevada a un horno en donde reacciona.

 Después se aplasta nuevamente, se separan los materiales no metálicos y se tamiza para producir el polvo.

Reducción de óxidos

 Debido a que no se hace ninguna refinación, la pureza del polvo es totalmente dependiente de la pureza de la materia prima.

 Las partículas producidas por este método son de estructura tipo esponja irregulares y porosas,

ideales para moldear.

 Es económico, el más usado y el único

procedimiento para obtener W y Mo. Tambien se usa para producir: Fe, Ni, Co y Cu

1. Mezcla de reducción de coque en polvo y caliza 2. Mineral de hierro 3. Secado 4. Trituración o molienda 5. Cribado 6. Separación magnética

7. Carga en tubos cerámicos

8. Reducción en hornos túnel, aprox. a 1200C

9. Descarga

10.Trituración del polvo en crudo

11.Almacenamiento en silos

12. Molienda (refinado)

13.Separación magnética

14.Molienda y tamizado

15.Recocido en horno de cinta, aprox. 800-900C 16.Homogeneización 17.Empaquetado automático 18.Mena de hierro 19.Mezcla reductora 20.Sala de control

Depositación electrolítica

 Escogiendo las condiciones apropiadas - posición y fuerza del electrolito, corriente,

densidad, temperatura, etc., muchos metales pueden convertirse en polvos metálicos.

 Se usa por lo general para producir polvo de Cobre, pero también se puede utilizar para la producción de polvo de Cromo y Manganeso.

Depositación electrolítica

 Dos de las mayores cualidades de este proceso son la alta

pureza y la alta densidad alcanzada en los polvos.

 La forma del polvo es dendrítica, ideal para el moldeo.

Características de los

polvos

Características de los polvos

 El resultado final alcanzado después del

sinterizado están altamente ligados con las características del polvo tales como:

- tamaño de las partícula y distribución del tamaño - condición de la superficie

- forma de las partículas - densidad aparente

 _{Además de la composición química y la pureza.}

Tamaño de las partículas

 Se clasifica por el tamaño de tamiz

que pasa el polvo.

 _{El polvo 200 pasa por la malla 200}

 _{Se promedia el tamaño por análisis}

Elección del tamaño

 En general se requiere un polvo más fino sobre uno más

grueso,los polvos de metales más finos tienen menores

tamaños de polvos y mayores áreas de contacto para

Condición de superficie

 La característica de la superficie influirá en las fuerzas de fricción entre las partículas durante el compactado.

Forma de las partículas

 La forma de la partícula influye en las características de empaquetamiento.

 Las partículas esféricas tienen un

excelente sinterizado y dan características uniformes en el producto final

Forma de las partículas

a) Acicular b)Angular c) Dendrítica d)Fibrosa e) Placas f) Granular g) Irregular h)Nodular i) Esferoidal

Densidad aparente

 Es el peso de una cantidad de polvo sin apretar necesario para llenar un volumen dado

 Es de las propiedades más importantes de los polvos; esto se debe a que la dureza alcanzada en el compactado depende directamente de la Densidad Aparente.

 A su vez esta característica depende de la forma y de la porosidad promedio de las partículas.

Proceso de fabricación

Proceso de fabricación

 Una vez se tiene el polvo empieza el proceso de fabricación de la pieza deseada.

 Este proceso está compuesto por básicamente tres etapas:

-1) la mezcla

-2) el compactado -3) la sinterización.

Cada una de estas etapas contribuye en las características finales de la pieza.

1) Mezcla

 La combinación y el mezclado son esenciales para la uniformidad del producto terminado.

 En esta etapa se debe alcanzar una mezcla homogénea de los materiales y añadir el

lubricante.

 La principal función del lubricante son: - reducir la fricción entre el polvo metálico y las superficies de las herramientas utilizadas en el proceso.

2) Compactado

 La mezcla es introducida en un molde de acero y presionada(150-900 Mpa).

 El compactado es una etapa muy importante ya que la forma y las propiedades mecánicas finales de la pieza están fuertemente

Compactado

 Es le etapa más importante, el polvo metálico adquiere la forma del molde y cerca de las

dimensiones finales, además adquiere una resistencia en verde que permite la

manipulación de la pieza dentro de la planta.

 Los polvos metálicos bajo presión no se comportan como líquidos, la presión no es

transmitida uniformemente por el molde y hay virtualmente cero flujo lateral.

Técnicas del Compactado

CON PRESIÓN • Troquel • Isostático • Forjado y extruido • Continuo SIN PRESIÓN •Deslizamiento •Gravedad •Continuo

Troquel

 Es el más utilizado  Primero se llena el troquel, luego se presiona y se expulsa  Utiliza presiones de 20 a 50 ton/pulg2

Troquel

Compactado con presión

Distribución densidad

Isostático

 La presión se aplica simultáneamente en todas las direcciones simultáneamente.  Se coloca el polvo en un

molde de hule y se sumerge en un baño líquido dentro

de un recipiente a presión.

 Utilizado más para

materiales cerámicos que para metales.

Forjado y extrusión

 Se “enlata” el polvo en un recipiente metálico

y luego se forja o extrae.

 Ambas técnicas por lo general no requieren de la etapa de sinterizado.

Continuo

 Se utiliza para elaborar cuerpos de forma simple (varillas, láminas o tubos).  Se hace pasar el polvo a través de rodillos que son ajustables.

Deslizamiento

 Se hace una suspensión de polvo en un líquido y luego se coloca en un molde que absorbe el fluido.  La pieza se seca y sinteriza

Gravedad y Continua

 Gravedad: el troquel se llena y luego se sinteriza, dando una pieza porosa.

 _{Continua: se emplea para producir laminas}

porosas para electrodos de batería (Níquel-cadmio) recargables.

Se aplica el polvo en forma de suspensión espesa sobre una rejilla o lámina y luego se sinteriza.

3) Sinterizado

 La etapa de la sinterización es clave para el proceso de la metalurgia de polvos.

 _{Sinterizado: Es el TT de un polvo o compactado}

metálico a una temperatura inferior a la

temperatura de fusión de la base de la mezcla.

Tiene el propósito de incrementar las resistencias de la pieza creando enlaces fuertes entre las

 Las piezas compactadas se someten a un tratamiento térmico, en hornos de atmósfera controlada, consiguiendo una cristalización en estado sólido denominada sinterización,

 Durante este proceso de sinterización las piezas compactadas adquieren sus

propiedades físicas y sufren unas ligeras

alteraciones dimensionales las cuales ya son previstas en los cálculos de las mismas.

Atmósfera Controlada

 Ayudar a eliminar el lubricante

 _{Evitar la oxidación y reducir óxidos. Evitar la}

oxidación en la zona de enfriamiento.

 Evitar la descarburación.

 _{Mantener una cierta presión positiva a la salida}

del horno.

 Asegurar un purgado seguro. Impide entradas de aire.

 Asegurar un resultado uniforme en la sinterización.

Sinterizado

 Ocurre una difusión atómica (proceso de

enlace de cuerpos sólidos) y las partes unidas durante el proceso de compactación se

fortalecen y crecen hasta formar una pieza uniforme.

Sinterizado

 Se utilizan temperaturas menor que la de fusión y una atmósfera controlada.

 Para proceso normales se alimentan las piezas al horno en una malla de alambres. Este alambre está hecho de una aleación

Níkel/Cromo (80/20) que permite temperaturas hasta de 11500C.

 Para temperaturas superiores se pueden usar Carburos de Silicio que pueden operar a

Sinterizado

 Temperaturas de Sinterizado: Hierro / Acero 1100 – 1300ºC Aleaciones de aluminio 590 – 620ºC Cobre 750 – 1000ºC Latón 850 – 950ºC Bronce 740 – 780ºC Metales Duros 1200 – 1600ºC

Aplicaciones

 Se producen materiales refractarios, metales

compuestos, porosos y combinaciones de metales con no metales.

 Es el único medio para producir molibdeno, tantalio

 Se puede combinar materiales duros en una matriz metálica (ej: carburo cementado)

 Combinación metal-no metal en materiales antifricción (cobre-grafito-sílice)

 Cojinetes autolubricantes (polvo de bronce con porosidad controlada)

Aplicaciones

Metalurgia de polvos

 Las propiedades mecánicas alcanzadas en estas piezas son a veces inalcanzables por cualquier tipo de fabricación.

 Genera beneficios importantes tanto en lo

económico (costos de piezas y mantenimiento)

como en funcionamiento de la máquina que tenga la pieza fabricada por este método.

 Habría que entrar a hacer un análisis profundo de costos, de producción y de mercado.

 Es una buena oportunidad para la investigación y desarrollo.

Ventajas Económicas

 Precios muy competitivos en relación a otros métodos de fabricación.

· Inversiones reducidas al evitarse la utilización de otras máquinas de segundas operaciones u operaciones de acabado.

· Aprovechamiento prácticamente del 100% de la materia prima.

· Alto grado de ahorro energético. · Tecnología no contaminante.

Etapas Intermedias

Opcionales según características deseadas de la pieza final

Calibrado

 Cuando las exigencias dimensionales y de acabado superficial son elevadas, las piezas son sometidas a la operación de calibrado.

 _{El calibrado se realiza en piezas de alta}

precision que confieren un acabado superficial superior al de las superficies rectificadas y

Impregnación de aceite

 En función de las exigencias de la pieza, el proceso puede complementarse con la

impregnación en aceite (casquillos

autolubricados), procedimiento que se requiere para prevenir y proteger a las piezas contra la oxidación y la suciedad.

 Al momento de utilizarlas con una pequeña limpieza se encontrarán intactas en sus

Nuevas aplicaciones

Filtros

Gran variedad de formas.

Alto control del tamaño y forma de los poros.

 Filtros para: polímeros, agua, gases, fluidos

hidráulicos, fuel, lubricantes,...

Espumas Metálicas

 Porosidad cerrada.

 Baja densidad (de aluminio: 0,4-1 g/cm3).

 Alta rigidez específica.

 Alta capacidad de absorber energía.

 Amplio rango de utilización de

temperaturas.

 Buenas propiedades de absorción de

ruidos.

 No inflamable.

 Reducida conductividad térmica y

eléctrica.

 Buen mecanizado

 Reciclable.

 Capaz de muchas operaciones de

Rociado Metálico

Se utiliza para recuperar piezas gastadas o fuera de tamaño o cuando se requiere resistencia al

desgaste. PROCESOS DE ROCIADO Fuente de calor eléctrica Pistolas de plasma Fuente de calor química Pistolas oxiacetilénica

Pistola de oxiacetileno

 Se rocía el polvo sobre

la superficie deseada.

 Se puede aplicar

cubiertas delgadas.

 Utíl para aplicar

aleaciones duras y resistentes a la

corrosión.

 Tienen base Ni o Co, contiene Cr, Bo, Si

Pistola de plasma

 El plasma es un gas ionizado que se produce al

pasar por un arco eléctrico.

 Se logran mayores temperaturas de trabajo que permite depositar metales de mayor punto de fusión.