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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS
EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
D
ME
“CONSTRUCCION DE UN ATOMIZADOR CON AGUA PARA OBTENER POLVOS DE
ALUMINIO”
P R E S E N T A :
ING. ARTURO CERVANTES TOBON
T E S I S
PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD
EN
INGENIERIA METALURGICA
IRECTOR DE TESIS: DR. DAVID JARAMILLO VIGUERAS
XICO, D.F. 2006
-
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL COORDINACION GENERAL DE POSGRADO
E INVESTIGACION
CARTA CESION DE DERECHOS
En la Ciudad de ___
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Programa de _____Maes
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manifiesta que es
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Dr. David Jara
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en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Metalúrgica
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______________________Ing. Arturo Cervantes Tobón
____2006
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_________________ ,
is bajo la dirección de
el trabajo intitulado
________, al Instituto inio”
stigación.
xtual, gráficas o datos
ste puede ser obtenido
____. Si el permiso se
r la fuente del mismo.
x
-
RESUMEN
RESUMEN
En la actualidad la atomización con agua es el método más
utilizado para la
producción de polvos metálicos debido a su bajo costo de
construcción y
operación del mismo.
En el presente trabajo se lleva a cabo la construcción de un
atomizador con
agua para la obtención de polvo de aluminio a partir de un
lingote comercial. De
igual manera se determinan las variables importantes para el
buen funcionamiento
del equipo. Se determinó mediante una deducción matemática el
diámetro mínimo
de alimentación del metal líquido para que este fluya de manera
libre. Así mismo,
se determinó el valor de la velocidad con la cual el chorro de
agua que sale de las
toberas de atomización golpea al metal líquido.
Se realizaron pruebas de pulverización y se caracterizó el polvo
obtenido
para poder evaluar el tamaño promedio de partícula mediante un
análisis
granulométrico, densidad aparente y la rapidez de flujo del
polvo. En este trabajo
se estudió el efecto de diferentes presiones durante la
atomización con agua y
finalmente se observó la forma de las partículas a través de las
técnicas de
microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido
(MEB).
Con los resultados obtenidos de las propiedades evaluadas se
observó que
están dentro de los valores reportados en la literatura. De
acuerdo a la técnica de
atomización con agua desarrollada en el presente trabajo, se
observa que las
partículas obtenidas presentan una forma irregular debido al
enfriamiento súbito
que proporciona el medio atomizante en este caso el agua al
chocar con el metal
fundido coincidiendo también esta particularidad con lo
reportado en la literatura.
-
ABSTRACT
ABSTRACT
Water atomization is currently the more used method for metals
powder
production due to low cost of construction and operation of the
atomization
devices.
The construction of a water atomizer system for obtaining
aluminum powder,
starting from a commercial ingot was carried out in the present
study. Important
variables for the proper operation of the equipment device are
determined. The
minimum feeding diameter of the liquid metal was deduced
mathematically, so that
fluid moves freely. The water speed required to strike the
liquid metal was
determined for designing the atomization nozzles.
Pulverization tests were made and the obtained powder was
experimentaly
characterized as to evaluate the mass median particle size by
means of grain size
analysis, aparent density, and flow rate of powder. In this
work, the effect of
varying pressure during water atomization was studied, and
eventualy, the form of
particles was observed through optical microscopy and scanning
electron
microscopy (SEM).
Obtained results of the evaluated properties revealed a
consistent match to
the values reported in literature. According to the technique of
water atomization
developed in the present research, it is observed that the
obtained particles display
an irregular form due to the sudden cooling that provides the
atomizant medium, in
this case water when hitting the melt metal.This fact also
agreed with literature.
-
“CONSTRUCCION DE UN ATOMIZADOR CON AGUA PARA OBTENER POLVOS DE
ALUMINIO”
ING. ARTURO CERVANTES TOBON
DIRECTOR DE TESIS: DR. DAVID JARAMILLO VIGUERAS
MEXICO, D.F. 2006
-
INDICE
INDICE
CONTENIDO PAGINA
Lista de figuras
.........................................................................................................
i
Lista de tablas
........................................................................................................
v
1. INTRODUCCION
................................................................................................1
2. ANTECEDENTES
2.1 Introducción a la pulvimetalurgia (PM)
...............................................................4
2.2 Breve reseña de la pulvimetalurgia
....................................................................6
2.3 Razones para usar pulvimetalurgia
...................................................................9
2.4 Las aplicaciones de la pulvimetalurgia (mercados e
industrias) ......................10
2.5 El futuro de la pulvimetalurgia
..........................................................................12
2.6 Ventajas y limitaciones de la pulvimetalurgia
..................................................16
2.7 Métodos para producir polvos metálicos y prealeados
....................................17
2.8 Consideraciones para la producción de polvos metálicos
...............................19
2.9 Atomización con agua
......................................................................................20
2.9.1 Descripción del proceso de atomización con agua
.......................................21
2.9.2 Principales variables en el proceso de atomización con
agua .....................24
2.9.3 Atmósfera de fusión y atomización
...............................................................24
2.9.4 Condiciones del metal fundido
......................................................................25
-
INDICE
2.9.5 Tamaño del orificio del crisol que contiene el metal
fundido ........................28
2.9.6 Longitud del chorro de metal líquido
.............................................................28
2.9.7 Condiciones del medio atomizante (agua)
....................................................29
2.9.8 Efecto del ángulo ápice entre las toberas
sobre el tamaño de las partículas
.................................................................32
2.9.9 Trayectoria de vuelo de las partículas
dentro del tanque de atomización
.................................................................33
2.9.10 Características de los polvos metálicos obtenidos
.....................................34
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.0 Diseño y construcción del atomizador con agua en el
Departamento
de Ingeniería Metalúrgica del IPN en el área de metalurgia de
polvos ...........36
3.1 Características generales del atomizador
........................................................36
3.2 Diseño del contenedor
.....................................................................................38
3.3 Sistema hidráulico
............................................................................................41
3.4 Sistema eléctrico
..............................................................................................45
3.5 Selección de las toberas (boquillas)
................................................................46
3.6 Sistema de fusión y vaciado del metal
.............................................................48
3.6.1 Horno de fusión
.............................................................................................49
3.6.2 Elaboración del crisol
....................................................................................53
3.6.3 Conformación de todos los sistemas y exhibición del
atomizador en el área de metalurgia de polvos
............................................55
3.7 Determinación del diámetro mínimo para el crisol
...........................................56
3.8 Determinación de la velocidad del fluido de atomización
(agua) .....................62
3.9 Operación del atomizador y obtención de polvo de aluminio
..........................66
-
INDICE
3.9.1 Efecto de la presión de atomización sobre el tamaño
de las partículas obtenidas
...........................................................................71
3.10 Caracterización del polvo obtenido
................................................................72
3.10.1 Distribución de tamaño de partícula (análisis
granulométrico) ...................72
3.10.2 Determinación de la densidad aparente
.....................................................74
3.10.3 Determinación de la fluidez del polvo
.........................................................76
3.10.4 Forma de la partícula mediante microscopia óptica
...................................76
3.10.5 Forma de la partícula mediante microscopia
electrónica de barrido (MEB)
......................................................................77
4. RESULTADOS OBTENIDOS
4.1 Obtención del diámetro mínimo para el crisol de
alimentación del metal líquido
.........................................................................78
4.2 Cálculo de la velocidad del fluido en
el sistema de atomización (agua)
...................................................................79
4.3 Análisis granulométrico de las partículas de aluminio
atomizadas con agua
.......................................................................................87
4.3.1 Efecto de la presión de atomización sobre el tamaño
de las partículas obtenidas
...........................................................................91
4.3.2 Determinación del rendimiento del proceso de atomización
con agua .........93
4.4 Determinación de la densidad aparente y la rapidez de
flujo
del polvo obtenido por atomización con agua
.................................................95
4.5 Evaluación de la morfología de las partículas por
microscopia óptica ............96
4.6 Evaluación de la morfología de las partículas
por microscopia electrónica de barrido (MEB)
..............................................102
-
INDICE
5. DISCUSION DE RESULTADOS
....................................................................106
6. CONCLUSIONES
...........................................................................................112
7. RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS
................................114
8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
..............................................................115
APENDICES
APENDICE 1
........................................................................................................121
APÉNDICE 2
........................................................................................................123
-
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE FIGURAS
FIGURA
LEYENDA
PÁGINA
1
Pilar construido a base de polvos de hierro en la
India(10,11,12).
6
2 Pistones y componentes de una transmisión automotriz
elaborados por pulvimetalurgia.
11
3 Relación que existe entre la presión de atomización y el
tamaño de partícula obtenido para un acero inoxidable
316L(27).
22
4 Proceso de atomización con agua, en donde el chorro de
metal fundido es desintegrado por un par de jets de agua a
presión(2).
23
5 Tamaño de partícula de zinc atomizado con agua en función
del sobrecalentamiento(40).
26
6 Diseño de las toberas en forma de V por Granzol y
Tallmadge(45).
31
7 Esquema del atomizador con todos sus componentes. 37
8 Vista frontal del contenedor y ventana. 39
9 Colector de polvos con válvula de bola de PVC para el
drenado de los polvos obtenidos y vista superior del
contenedor.
40
10 Esquema del sistema hidráulico y sus componentes 42
11 Depósito de agua con capacidad de 450 litros y vista de
una
parte del sistema hidráulico mostrando la tubería, la válvula
de
seguridad, el manómetro y la bomba.
44
12 Acercamiento de la válvula de seguridad, manómetro y
toberas de atomización.
44
13 Motor siemens tipo NEMA B con jaula de ardilla y bomba.
45
i
-
LISTA DE FIGURAS
14 Tobera de rociado plano y representación de la formación de
la
lámina plana de líquido.
46
15 Toberas de atomización armadas en el atomizador en
arreglo
tipo V.
47
16 Componentes del horno de resistencias de carburo de silicio.
49
17 Cuerpo del horno elaborado en acero inoxidable. 50
18 Vista superior del horno con tapa. 50
19 Vista superior del horno donde se aprecian las resistencias y
la
base para el crisol.
51
20 Imagen del regulador de temperatura Barber-Colmer. 52
21 Esquema del crisol con sus dimensiones. 53
22 Crisol fabricado y empleado para el proceso de
atomización.
En el interior se aprecia una parte muy clara debida a la
pintura refractaria a base de zircón.
54
23 Atomizador con agua armado ya en su totalidad en el área
de
metalurgia de polvos del departamento de Ingeniería
Metalúrgica E.S.I.Q.I.E-I.P.N
55
24 Representación esquemática de cómo están distribuidas las
fuerzas en la semi-esfera.
57
25 Representación de las coordenadas en la semi-esfera. 58
26 Salida de los jets de agua a alta velocidad y ángulo
formado
entre las toberas y el metal líquido.
68
27 Polvo de aluminio obtenido que sedimentó en el fondo del
contenedor.
70
28 Método de cribas o mallas para determinar el tamaño y
distribución de partícula.
73
29 Flujómetro empleado para la determinación de la densidad
aparente.
75
ii
-
LISTA DE FIGURAS
30 Comportamiento de la velocidad del fluido usando la
ecuación
(9a) y el diagrama de Moody para 700 psi de presión de
atomización.
80
31 Esquema de la tobera de atomización. 81
32 Comportamiento de la velocidad del fluido usando la
ecuación
(9b) y el diagrama de Moody para 1500 psi de presión de
atomización.
84
33 Comportamiento de la velocidad del fluido usando la
ecuación
(9c) y el diagrama de Moody para 2500 psi de presión de
atomización.
86
34 Gráficas de la distribución y determinación del tamaño
promedio de las partículas atomizadas con agua a 700 psi de
presión.
88
35 Gráficas de la distribución y determinación del tamaño
promedio de las partículas atomizadas con agua a 1500 psi de
presión.
89
36 Gráficas de la distribución y determinación del tamaño
promedio de las partículas atomizadas con agua a 2500 psi de
presión.
90
37 Gráfica de la distribución de tamaño de las partículas
atomizadas con agua para las 3 presiones utilizadas.
91
38 Gráfica del efecto de la presión de atomización sobre el
tamaño de las partículas de polvo obtenidas.
92
39 Gráfica del rendimiento del proceso conforme se incrementa
la
presión de atomización.
94
40 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a)
malla
20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron tomadas
a
100 aumentos.
96
iii
-
LISTA DE FIGURAS
41 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a)
malla
20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron tomadas
a
200 aumentos.
97
42 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 1500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 100 aumentos.
98
43 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 1500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 200 aumentos.
99
44 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 100 aumentos.
100
45 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 200 aumentos.
101
46 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a)
malla
100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400.
102
47 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a)
malla
100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400. Las imágenes
fueron tomadas a mayores aumentos.
103
48 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400. Las
imágenes fueron tomadas a bajos aumentos.
104
49 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400. Las
imágenes fueron tomadas a mayores aumentos.
105
iv
-
LISTA DE TABLAS
LISTA DE TABLAS
TABLA
LEYENDA
PÁGINA
1
Ejemplos de usos de polvos metálicos.
5
2 Partes y componentes del sistema hidráulico. 43
3 Partes y componentes del sistema de fusión y vaciado del
metal.
48
4 Determinación del diámetro mínimo del crisol de alimentación
78
5 Determinación de la velocidad del fluido en el sistema de
atomización para una presión utilizada de 700 psi.
79
6 Determinación de la velocidad del fluido en el sistema de
atomización para una presión utilizada de 1500 psi.
83
7 Determinación de la velocidad del fluido en el sistema de
atomización para una presión utilizada de 2500 psi.
85
8 Análisis granulométrico obtenido para las 3 distintas
presiones. 87
9 Rendimiento del proceso para las 3 distintas presiones
empleadas.
93
10 Determinación de la densidad aparente y la velocidad de
flujo. 95
v
-
INTRODUCCION
1
1. INTRODUCCION
El metalúrgico moderno no puede abrogarse al descubrimiento de
la
metalurgia de polvos, debido a que los polvos metálicos y los
sólidos fabricados
con ellos han sido elaborados durante muchos años, pero a lo que
sí puede
enfocarse es al mejoramiento y perfeccionamiento de la
producción de dichos
polvos para la obtención de productos finales con una mejor
calidad de sus
propiedades mecánicas.
En la actualidad se fabrican con éxito polvo de los metales y
aleaciones
siguientes: aluminio, antimonio, latón, bronce, cadmio, cobalto,
cobre, oro, hierro,
plomo, manganeso, molibdeno, níquel, paladio, platino, silicio,
plata, tungsteno,
vanadio, zinc, boro y carburos diversos. La cantidad de
materiales fabricada en
forma de polvo es una parte insignificante de la total empleada
en la industria de
los metales, pero la importancia de los polvos metálicos y de
las piezas fabricadas
con ellos es grande cuando se considera el papel desempeñado por
esta técnica
en la fabricación de filamentos para lámparas y contactos para
relevadores,
contactos varios, etc. Una aplicación reciente e importante de
este procedimiento
es la fabricación de cojinetes autolubricados (sin aceite) y
piezas metálicas para
máquinas y herramientas de gran interés práctico.
En México existen algunas empresas que fabrican componentes a
partir de
polvos metálicos, tal es el caso de SINTERMEX, SINTERMETAL Y
CLEVITE. Sin
embargo, sus materias primas son de importación debido a que son
las que
cumplen con una serie de especificaciones requeridas en cuanto a
calidad
principalmente. Existen algunos pequeños productores en México
de polvos de
aluminio, cobre y acero, como DEGUSA en Monclova Coahuila y
CLEVITE DE
MEXICO en el Edo. De México.
-
INTRODUCCION
2
A pesar del esfuerzo de estas empresas, existe el riesgo de que
sean
desplazadas del mercado por productos realizados por compañías
del exterior que
ofrezcan productos de mayor calidad o menor precio, por lo cual
se debe lograr
una producción óptima de materia prima, a lo cual puede
contribuir la vinculación
de las empresas con los centros de investigación.
Entre las propiedades o características más importantes de un
polvo metálico
destacan la morfología, el tamaño promedio de partícula,
distribución de tamaño
de partícula, la composición química y la microestructura. Estas
propiedades
repercuten a su vez en propiedades de tipo ingenieril (densidad
aparente,
deformabilidad, compresibilidad, forjabilidad, tenacidad, entre
las más importantes)
así como en los productos finales del resultado de la
consolidación de los polvos
metálicos (1).
Por lo anterior la producción de polvos metálicos y aleados
resulta ser una
actividad industrial trascendente. Existe una gran variedad de
métodos para
producir polvos metálicos tales como: trituración mecánica,
reducción química,
precipitación, electrólisis y la atomización (2).
La atomización es la técnica más utilizada para la producción de
polvos
metálicos y sus aleaciones. Esta se puede definir como “ La
dispersión de un
metal líquido en partículas sólidas por medio de un fluido o gas
a alta velocidad ”,
de acuerdo a la A.S.T.M. y la A.S.M. (3). En esta técnica, el
fluido impacta un
chorro de metal líquido para formar ligamentos los cuales
posteriormente se
rompen en fragmentos y partículas sólidas cuyo tamaño y forma
dependerán de
ciertas variables del proceso. En la literatura existen algunos
estudios sobre el
efecto de los diferentes parámetros de operación sobre las
características y
propiedades de las partículas obtenidas por atomización
(4-6).
-
INTRODUCCION
3
La atomización con agua o gas produce partículas con distinta
morfología,
debido a la tensión superficial del fluido atomizante. Al
utilizar gas como fluido
atomizante se obtendrán partículas esféricas con menor oxidación
superficial, en
cambio si se utiliza agua las partículas producidas presentan
una forma irregular
recubiertas con una capa de óxido lo cual implica que las
propiedades finales de
un material sean diezmadas (7,8). La atomización con agua
resulta ser un proceso
simple y muy económico para la producción de polvos metálicos,
pero su
aplicación es limitada a aleaciones con baja afinidad por el
oxígeno y que no
reaccionen de manera violenta con el agua.
Algunas de las causas por las que no se producen en México
polvos
metálicos a gran escala son la falta de difusión de la
metalurgia de polvos, a la
falta de formación de personal en esta área, y los altos costos
de inversión y
operación que se requieren para implementar instalaciones que
funcionen
adecuadamente. El objetivo del presente trabajo es plantear una
alternativa
económica para la fabricación de polvos atomizados con agua
mediante un equipo
relativamente barato, el cual podría ser modificado para llevar
a cabo la
depositación sobre sustratos, siendo esta técnica muy atractiva
también para el
desarrollo de nuevos materiales. De igual forma, se desea crear
una iniciativa que
permita abrir una línea de investigación en metalurgia de polvos
dentro del
Departamento de Ingeniería Metalúrgica, E.S.I.Q.I.E-I.P.N.
-
ANTECEDENTES
4
2. ANTECEDENTES
2.1 INTRODUCCION A LA PULVIMETALURGIA (PM).
Dentro de las variadas tecnologías disponibles para trabajar los
metales, la
pulvimetalurgia (PM) es la más amplia. El mayor atractivo de la
PM es la habilidad
de fabricar piezas de formas complejas con excelentes
tolerancias y alta calidad a
un costo relativamente bajo. En resumen, la PM considera polvos
metálicos con
ciertas características como tamaño, forma y empaquetamiento
para luego crear
una pieza de alta pureza y precisión. Los pasos claves incluyen
la compactación
del polvo y la subsiguiente unión termal de las partículas por
medio de la
sinterización. El proceso utiliza operaciones automatizadas con
un consumo
relativamente bajo de energía, alto rendimiento de los
materiales y bajos costos
capitales.
Estas características hacen que la PM mejore de la
productividad, baje el
consumo de energía y ahorre materias primas. Consecuentemente,
el área está
creciendo y reemplazando métodos tradicionales de formar
metales. Además, la
PM es un proceso de manufactura flexible capaz de entregar un
rango amplio de
nuevos materiales, micro estructuras y propiedades. Todo esto
crea un nicho
único de aplicaciones para la PM, como por ejemplo compuestos
resistentes al
desgaste.
El proceso de la PM se confía en una mirada distinta a aquellas
en la
fabricación tradicional de componentes metálicos.
Específicamente, la versatilidad
de la PM da un horizonte expandido en el procesamiento de
materiales: química,
tratamiento térmico y microestructuras son variables y la
distribución de las fases y
los microconstituyentes son controlados. Las aplicaciones de la
PM son bastante
amplias (2).
-
ANTECEDENTES
5
Algunos ejemplos del uso de polvos metálicos son: filamentos de
tungsteno
para focos incandescentes, restauraciones dentales, rodamientos
auto-lubricantes,
engranes de transmisión de automóviles, contactos eléctricos,
elementos de
combustible para energía nuclear, implantes ortopédicos, filtros
de alta
temperatura, pilas recargables y componentes para aeronaves. La
Tabla 1 enlista
una serie de usos típicos de componentes provenientes de la
PM.
Tabla 1. - Ejemplos de usos de polvos metálicos (2).
APLICACIÓN EJEMPLOS DE USO
Abrasivos Ruedas pulidoras metálicas, equipos de
molienda
Aeroespacial Motores de jet, escudos de calor,
boquillas de turbina
Automóviles Válvulas, engranes, varillas
Químicos Colorantes, filtros, catalizadores
Eléctrico Contactos, conectores
Magnético Relays, imanes, núcleos
Manufactura Moldes, herramientas, rodamientos
Medicina/dental Implantes de cadera, fórceps, amalgamas
dentales
Metalúrgico Recubrimiento metálico, aleaciones
Nuclear Escudos, filtros, reflectores, combustibles
Artillería Fusiles, munición, penetradores
Personal Vitaminas, cosméticos, jabones, lápices
Petroquímicos Catalizadores, brocas
Pirotécnicos Explosivos, combustible, colorantes,
bengalas
-
ANTECEDENTES
2.2 BREVE RESEÑA DE LA PULVIMETALURGIA.
La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos se puede definir como
el arte de
producir polvos de metal y emplearlos para hacer objetos útiles.
Las raíces de la
pulvimetalurgia se pueden remontar hasta 5000 años atrás. Los
primeros usos de
polvos metálicos han sido rastreados en varios lugares (9). Por
ejemplo, polvos de
oro fueron fusionados sobre joyas por los Incas, y los Egipcios
utilizaron polvos de
acero en el año 3000 A.C. Otro ejemplo de uso temprano es la
Columna de Delhi
en la India la que data al año 300 D.C (10,11,12). Esta columna
fue hecha a partir de
6.5 toneladas de polvo de hierro (Figura 1). La utilización de
polvos de oro, plata,
cobre, latón y estaño para fines únicamente decorativos fue muy
común durante la
Edad Media (13).
Figura 1.- Pilar construido a base de polvos de hierro en la
India, 300 D.C(10,11,12).
6
-
ANTECEDENTES
7
El primer trabajo científico considerado sobre pulvimetalurgia
fue publicado
en 1829 por el físico Inglés H.W. Wollaston, en el cual
describía un proceso para
producir platino compacto a partir de polvo con esponja de
platino, estableciendo
los fundamentos para las técnicas modernas (14). La necesidad de
aparatos de
platino de laboratorio llevaron al desarrollo de la
precipitación química de polvos y
nuevas rutas de consolidación sin el uso de altas temperaturas.
Tales actividades
ocurrieron en Rusia e Inglaterra, donde polvos precipitados
fueron trabajados en
caliente para superar la incapacidad de obtener las altas
temperaturas para fundir
platino. Al mismo tiempo, se fabricaban monedas de polvos de
cobre, plata y
plomo acuñadas y sinterizadas. La época moderna de la PM se
puede rastrear
hasta Coolidge, quien utilizó polvos de tungsteno para
desarrollar un filamento de
lámpara durable para Thomas Edison (15). Subsecuentemente,
rodamientos
porosos de bronce y contactos eléctricos de grafito-cobre se
desarrollaron en los
años 30. Al llegar los cuarentas, la PM estaba involucrada en la
fabricación de
nuevas aleaciones de tungsteno, aleaciones estructurales férreas
y metales
refractarios.
Es también durante esta época que se modifican los procesos
de
atomización, ya empleados desde la década de los treinta para
pulverizar metales
de bajo punto de fusión, para atomizar hierro. El interés
inicial de la PM creció
desde una base de materiales formada por elementos comunes como
el cobre y
hierro por medio de una tecnología de menor costo. Desde los
años cuarenta,
varios materiales menos comunes se han convertido en polvos,
incluyendo
materiales refractarios y sus aleaciones (Nb, W, Mo, Zr, Ti y
Re). Adicionalmente,
el crecimiento de metales estructurales ha avanzado igual en
este periodo. La
mayoría de las piezas estructurales producidas de polvos son
basadas en hierro.
Igual de importante ha sido la evolución de las
aplicaciones.
-
ANTECEDENTES
8
Inicialmente, componentes basados en polvos fueron
seleccionados
simplemente por su bajo costo. Más reciente, la principal razón
de seleccionar una
ruta PM ha sido asociado con el mejoramiento de la calidad,
homogeneidad o
propiedades en conjunto de costo atractivo y productividad.
Las super aleaciones de altas temperaturas de níquel, la dureza
específica
de aleaciones de aluminio para aeronaves y compuestos de
aluminio con
expansión térmica controlada son algunos buenos ejemplos de esta
evolución. No
solo se pueden fabricar con mejor economía de material por medio
de polvos, sino
que también nuevas y mejores composiciones que siendo
desarrolladas
aprovechando así el control químico y de micro estructura. La
expansión de los
procesos de la PM en las áreas que requieren materiales de alta
calidad y
propiedades únicas crearán más oportunidades para el futuro. En
la actualidad la
pulvimetalurgia o metalurgia de polvos se ha convertido en una
industria que se
desarrolla ampliamente gracias a las grandes posibilidades que
ofrece con
respecto a otras técnicas (fundición principalmente) lo cual ha
llevado a considerar
a la pulvimetalurgia como “ La nueva dimensión en tecnología de
materiales ”, por
lo cual resulta importante la producción de polvos metálicos
para su desarrollo.
Lo que pueda sucederle a la pulvimetalurgia o metalurgia de
polvos y a la
industria que pueda beneficiarse con ella, dependerá en última
instancia de la
iniciativa y la creatividad de los individuos que sepan
aprovechar las posibilidades
de esta tecnología.
-
ANTECEDENTES
9
2.3 RAZONES PARA USAR PULVIMETALURGIA.
Muchos atributos contribuyen al éxito de la PM. Hay tres
categorías que
dominan y proveen un concepto introductorio para el uso de la
PM. Primero están
las variadas aplicaciones que dependen de la economía de
producción de piezas
complejas. Componentes para la industria automotriz representan
buenos
ejemplos para esta área y su producción es una gran actividad
para la PM.
Dentro del área de economía de producción de piezas viene la
preocupación
de productividad, tolerancias y automatización. Tanto la
precisión como los costos
son bastante atractivos. Los polvos de aleaciones permiten la
fabricación por
abajo del punto de fusión del metal. Esto elimina la segregación
y otros defectos
asociados con la solidificación. También hay propiedades únicas
o justificaciones
de microestructura para el uso de PM. Algunos ejemplos incluyen
metales
porosos, aleaciones endurecidas por dispersión de óxidos y
compuestos metal-
cerámica. La inhabilidad de poder fabricar éstas
microestructuras por medio de
otras técnicas ha contribuido bastante al crecimiento de la
PM.
Por último, se menciona aplicaciones cautivas. Estos son los
materiales que
son bastante complicados de procesar utilizando otra técnicas.
Ejemplos ideales
son los metales reactivos y refractarios, para los que el
proceso de fundición no es
práctico (16). Otro grupo emergente son los metales amorfos. En
muchos casos es
deseable poder formar un polvo y desarrollar procesos a bajas
temperaturas para
evitar daños a la microestructura. Las técnicas de la PM son
atractivas dado que
todo el procesamiento puede ser logrado en el estado sólido.
-
ANTECEDENTES
10
2.4 LAS APLICACIONES DE LA PULVIMETALURGIA (MERCADOS E
INDUSTRIAS).
Las piezas pulvimetalúrgicas son usadas en muchos productos
finales. El
mayor comprador de piezas puvimetalúrgicas es la industria
automotriz.
Las aplicaciones automotrices forman aproximadamente el 70% de
la
pulvimetalurgia Norteamericana de las piezas que se
comercializan. En 1999 el
típico vehículo familiar contenía cerca de 15 kg (35 lb) de
piezas pulvimetalúrgicas
con un incremento de 10.9 kg (24 lb) desde 1990. Se ha estimado
que en el año
2000 se utilizaron 15.9 kg (35 lb) en cada vehículo vendido.
En el año 2002 los vehículos en Norteamérica contenían ya más de
17 kg
(37.5 lb) de piezas pulvimetalúrgicas. En contraste los
vehículos europeos
aproximadamente 7.3 kg (16 lb) de partes pulvimetalúrgicas,
mientras que la
industria automotriz Japonesa únicamente contenía 7.1 kg (15.8
lb) (17).
Como la resistencia mecánica y las tolerancias de piezas
pulvimetalúrgicas
mejoran, aumentará el uso de la pulvimetalurgia a expensas del
hierro dúctil en
piezas de transmisión.
La Ingeniería de transmisiones en automóviles está considerando
seriamente
el uso de metales en polvo para piñones y marcos del
transportador del piñón en
cajas automáticas para mejorar la exactitud dimensional y
reducir gastos de
producción. Se estima que este nuevo mercado se abrirá en los
siguientes años
pudiendo, ser esta la aplicación más importante para aceros
pulvimetalúrgicos
durante la presente década. La otra aplicación de considerable
magnitud es la
barra de conexión que data de 1980. Una barra de conexión típica
pesa cerca de 1
kg (2.2 lb).
-
ANTECEDENTES
Los mercados para piezas pulvimetalúrgicas incluyen: Los
arrastres dentados
de cerrojos, tractores de jardín, pistones, motores de automóvil
y transmisiones,
sistemas de freno y dirección de automóvil, máquinas lavadoras,
armas
deportivas, herramientas, copiadoras, cuchillos de caza,
ensambles hidráulicos,
escudos de rayos x, cabezas de puntas perforadoras de petróleo y
gas, cañas de
pescar y relojes de pulsera (18).
Figura 2.- Pistones y componentes de una transmisión automotriz
elaborados por Pulvimetalurgia.
Los motores de las nuevas aeronaves comerciales contienen
superaleaciones pulvimetalúrgicas extruidas. Los norteamericanos
consumen casi
un millón de Kilogramos de polvo de hierro anualmente en
cereales y pan
enriquecidos con hierro.
11
-
ANTECEDENTES
12
2.5 EL FUTURO DE LA PULVIMETALURGIA.
Se espera que la industria pulvimetalúrgica crezca en gran
escala este siglo.
El éxito de tecnologías pulvimetalúrgicas e híbridos
pulvimetalúrgicos tales como
forjado de polvos, la compactación isostática en caliente,
prototyping rápido, spray
forming, sinterizado a alta temperatura y el moldeo por
inyección han impulsado a
la industria de la PM en América del Norte hacia nuevas
aplicaciones y mercados.
El mercado de polvos de cobre y sus aleaciones, de aluminio y
sus
aleaciones y de aceros inoxidables experimentaron un crecimiento
significativo en
el 2004. Las aplicaciones para aluminio en polvo incluyen
pinturas y
recubrimientos, productos químicos, como elemento de aleación,
combustible
sólido para cohetes y misiles, explosivos y pirotecnia, piezas
pulvimetalúgicas y
compósitos. Los ingenieros de diseño pulvimetalúrgico están
interesados en el
aluminio en el mercado del automóvil. Las aplicaciones incluyen
cojinetes de leva,
corchetes del espejo, piezas del amortiguador, bombas y barras
de conexión. El
mayor crecimiento en acero inoxidable ha estado dentro de los
polvos de la serie
400, debido a la demanda para bridas de sistema del tubo de
escape del
automóvil y anillos del sensor en los sistemas de frenos ABS. El
uso de acero
inoxidable para piezas pulvimetalúrgicas en partes y
aplicaciones de cerrojos
también crece.
La industria europea pulvimetalúrgica también experimenta un
crecimiento en
todos sus mercados de polvos. La industria se está volviendo más
global,
consistente con la tendencia fortificante de fabricantes
globales de automóviles
como GM, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, BMW y
Volkswagen.
Las áreas principales de crecimiento para la PM en aplicaciones
automotoras
incluyen motores, transmisiones, sistemas de escape y sistemas
de frenos ABS.
-
ANTECEDENTES
13
Debido a que los niveles de resistencia mecánica y las
capacidades de
tolerancia mejoran, habrá más conversión de partes de acero
dúctil de la
transmisión por medio de la PM. Expertos de Ford estiman que
algunos vehículos
serán los primeros en cumplir con 25 kg de piezas
pulvimetalúrgicas en unos
pocos años. Si el mercado del piñón y los marcos del
transportador del piñón en
cajas automáticas se desarrolla, los ingenieros en producción
afirman que esta
será la más importante de las nuevas aplicaciones para los
polvos de acero
durante la siguiente década. Este desarrollo adicionaría
aproximadamente 6 kg
(13.2 lb) de polvo de metal por transmisión.
El negocio Norteamericano de partes pulvimetalúrgicas ha
superado el nivel
de ventas desde 1998 a la fecha, haciéndolo el mayor mercado
pulvimetalúrgico
en el mundo. El marcado de moldeado en caliente continúa
aumentando, lo cual
da a fabricantes de piezas la posibilidad de producir productos
de polvos ferrosos
con características altas de desempeño en una sola operación de
compactación.
Las ventas mundiales de piezas pulvimetalúrgicas fueron
estimadas en mas de 5
billones de dólares en 1998, en años recientes esta cifra
seguramente ha sido
superada debido a la demanda de piezas que cada día son
requeridas.
Tan solo en el año 2002 la industria Norte Americana produjo
aproximadamente 400,000 toneladas de aluminio, hierro y acero,
acero inoxidable
y cobre en piezas pulvimetalúrgicas para el mercado automotriz
(17).
Por otro lado las empresas japonesas Miba y Hitachi
incursionaron en el
mercado Europeo en el año 2001 para abastecerlo de partes
automotrices tales
como engranes, transmisiones y cojinetes con el objeto de lograr
una globalización
en la industria automotriz Europea, Asiática y Sudamericana para
tener una mayor
calidad en sus productos y por ende una mayor competencia con el
mercado
Norte Americano que como ya observamos es el de mayor producción
a nivel
mundial (19).
-
ANTECEDENTES
14
El reconocimiento de la pulvimetalurgia como una tecnología
estratégica está
fuera de toda duda debido a que los clientes principales
aumentan su confianza en
esta técnica, no sólo con el lado convencional del negocio sino
que también con
materiales avanzados particularmente. El uso de compactación
isostática en
caliente aumenta para aceros de herramienta y superaleaciones, y
en otros
procesos avanzados como prototyping rápido, spray forming,
conformado en frío y
en el procesamiento de tamaño de polvos submicrónicos. El
mercado anual para
polvo de superaleaciones y barras pulvimetalúrgicas extruidas
está en el rango de
35 a 45 millones de dólares.
Los destinos finales de los polvos superaleados y los billets
son las partes de
turbinas de avión, la reparación de turbinas de aeronaves y
yacimientos
petrolíferos y la petroquímica. Todas estas aplicaciones
requieren productos por
compactación isostática en caliente.
Los mercados de moldeo por inyección en caliente (PIM) se
estima
aumentará en un 20 a 25% debido a la mejora en tecnología,
materiales y
sistemas de moldeo. Más diseños innovadores del producto están
siendo creados
de este sector de la industria. El mercado norteamericano es
estimado en 100
millones de dólares, dividido en 75 millones para inyección de
metales y 25
millones para cerámicos.
Los fabricantes de equipo pulvimetalúrgico (herramental, prensas
de
compactación, hornos y atmósferas) también han experimentado
crecimiento
favorable. Las ventas de equipo y atmósferas representan un
mercado anual muy
por encima de los 100 millones de dólares. La tendencia es para
prensas mayores
con más controles sofisticados, y los hornos de temperatura mas
alta, todo para
proveer piezas con mejores resistencias mecánicas y mayor
calidad.
-
ANTECEDENTES
15
Otros sectores de crecimiento del mercado pulvimetalúrgico
adicionan el
prototyping rápido, spray forming, compósitos de matriz
metálica, espumas de
metal y polvos nanométricos. El año 2001 marca el inicio de un
crecimiento
sostenido el cual es ya todo un récord para la industria
pulvimetalúrgica.
Como podemos observar la pulvimetalurgia está creciendo día a
día. El uso
de polvos metálicos continua expandiéndose y el rubro está
creciendo más rápido
que cualquier otro método de trabajar metales. Además, la
necesidad de personal
calificado está creciendo más rápido dado la diversidad y
dificultad de las
aplicaciones que están siendo desarrolladas por la PM.
Está claro que a medida que los conocimientos de esta materia
aumentan,
aparecerán muchas mas aplicaciones para esta tecnología. La
mayoría de los
usos actuales se basan en la economía de los procesos. El futuro
promete más
desafíos con la combinación de ahorrar costos y ciertos factores
como la
confiabilidad, calidad, dureza, control de dimensión y la
capacidad de formar
piezas exclusivas. La apreciación abierta de estas ventajas
proveerán
oportunidades de crecimiento económico y tecnológico.
Investigaciones del uso de
polvos metálicos ofrecen esperanza para aplicaciones aún más
diversas,
incluyendo aleaciones magnéticas de alta solidificación,
aleaciones nuevas para
aeronaves y estructuras de alta dureza involucrando
micro-estructuras a escalas
muy pequeñas.
-
ANTECEDENTES
16
2.6 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA PULVIMETALURGIA.
Ventajas
• La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y
bi-metálicos de
capas moldeadas, sólo se pueden producir por medio de este
proceso.
• La porosidad puede ser controlada.
• Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta
calidad.
• Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden
obtener también
piezas de alta pureza.
• No hay pérdidas de material.
• Se pueden producir piezas a la cuales se les puede hacer algún
tratamiento
térmico adicional para incrementar su resistencia mecánica y al
desgaste.
• Se puede obtener un rango amplio de sistemas aleados.
• No se requieren operarios con alta capacitación por lo tanto
se disminuyen los
costos de operación.
Limitaciones
Los polvos son caros y difíciles de almacenar.
El costo del equipo para la producción de los polvos puede ser
alto.
Algunos productos pueden fabricarse por procedimientos más
económicos.
Es difícil hacer productos con diseños complicados.
Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de
sinterizado,
especialmente con los materiales de bajo punto de fusión.
Algunos polvos presentan riesgo de explosión, como el aluminio,
magnesio,
zirconio y titanio.
Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.
-
ANTECEDENTES
17
2.7 METODOS PARA PRODUCIR POLVOS METALICOS Y PREALEADOS.
Todos los metales pueden producirse en forma de polvo, sin
embargo no
todos los polvos cumplen con las características necesarias para
poder conformar
una pieza. Los dos metales más utilizados para la producción de
polvo para la
fabricación de piezas son el cobre y el hierro. Como variaciones
del cobre se
utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón para
pequeñas piezas de
máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel,
plata, tungsteno y
aluminio.
Existen diferentes formas de producir polvos metálicos
dependiendo de las
características físicas y químicas de los metales
utilizados.
Con maquinado se producen partículas gruesas y se usan
principalmente
para producir polvos de magnesio.
En el proceso de molienda se tritura el material con molinos
rotatorios de
rodillos y por estampado rompiendo los metales. Por este método
los materiales
frágiles pueden reducirse a partículas irregulares de cualquier
finura. Los granos
de carburo de tungsteno se pulverizan de esta forma (20).
El proceso de perdigonado consiste en vaciar metal fundido en un
tamiz y
enfriarlo dejándolo caer en agua. En este proceso se obtienen
partículas esféricas
o con forma de pera. La mayoría de los metales pueden
perdigonarse, pero el
tamaño de las partículas es demasiado grande.
La atomización consiste en la aspersión del metal y su
enfriamiento en aire o
en agua. Es un excelente método para la producción de polvos de
casi todos los
metales de bajo punto de fusión como el plomo, aluminio, zinc,
estaño y plata.
-
ANTECEDENTES
18
Algunos metales pueden convertirse en polvo con una agitación
rápida del
metal mientras se está enfriando. Este proceso se le conoce como
granulación.
Otro procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata
y algunos
otros metales es el de depósito electrolítico. Consiste en la
inmersión del metal a
pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los
tanques actúan como
cátodos, el hierro o metal a pulverizar se mueve de los ánodos
hacia los cátodos
depositándose como un polvo fino que puede posteriormente
utilizarse con
facilidad.
Polvos prealeados: Cuando se logra la producción de un polvo de
un metal
previamente aleado con otro se mejoran considerablemente las
propiedades de
las piezas, en comparación con las que tendrían con los metales
puros.
Una de las ventajas de este tipo de polvos es que requieren
menores
temperaturas para su producción y que proporcionan la suma de
las propiedades
de los dos metales unidos similares a las que se obtendrían con
la fundición.
-
ANTECEDENTES
19
2.8 CONSIDERACIONES PARA LA PRODUCCION DE POLVOS METALICOS.
Cada uno de los métodos de producción tiene peculiaridades
propias tales
como: Economía, limpieza, flexibilidad, propiedades
fisicoquímicas, etc., que lo
hacen adecuado para diferentes propósitos; sin embargo, es
posible delinear
algunos principios generales, aplicables a la producción de
polvos metálicos (21).
1. - Los polvos (para usos metalúrgicos) deben ser
comparativamente
baratos. Su costo de manufactura debe compararse más o menos
favorablemente
con el del material convencional. Esta regla no se puede aplicar
a materiales
preciosos o exóticos tales como: plata, oro, platino, wolframio,
berilio, etc.
2. - El rendimiento del proceso no deberá ser menor del 75% de
polvo de
grado comercial.
3. – El método debe ser de tal manera que pueda fácilmente
mantener la
composición química, análisis de mallas, densidad aparente,
compresibilidad,
fluidez, etc., dentro de los límites estipulados.
Existen tres técnicas principales para la producción de polvos
metálicos, la
molienda mecánica, métodos electroquímicos y la atomización
(1,8), pero en términos de aplicación a nivel industrial, los
procesos de atomización son los que
han tenido mayor impacto hoy en día. Las interacciones de las
partículas
metálicas con los elementos de la atmósfera atomizante y medio
ambiente son
factores de suma importancia en los procesos de la
pulvimetalurgia o metalurgia
de polvos (MP) los cuales son responsables de cambios deseados o
indeseados
en la forma de la partícula, en la microestructura y por lo
tanto en las propiedades
mecánicas finales de los productos obtenidos a partir de polvos
metálicos.
-
ANTECEDENTES
20
2.9 ATOMIZACION CON AGUA.
El origen de la atomización con agua puede ser remontado al año
de 1872
cuando se otorgó una patente en Inglaterra, en la cual se
describe el uso de un
inyector que genera un chorro que atomiza fundiciones metálicas
(22).
Actualmente es el método con mayor capacidad para la producción
de polvos
metálicos, en años recientes ha ido ganando terreno.
Principalmente se utiliza
para la producción de polvos de hierro; se estima que
aproximadamente la mitad
de la producción mundial de hierro, es decir unas 500,000
toneladas métricas por
año, se producen por atomización con agua (23).
También se producen de manera comercial aceros, aceros
inoxidables,
aleaciones especiales, de níquel, cobalto, etc, además de
metales no ferrosos
como Al, Cu, Zn, Cd, Pb, Sn y sus aleaciones.
La atomización con agua de metales preciosos se utiliza para la
producción
de amalgamas dentales (23). Además, como ya se ha mencionado, el
proceso de atomización con agua resulta ser el proceso más
económico de los métodos
comerciales que existen, ya que se pueden producir grandes
cantidades de polvo
a un bajo costo. La única limitación que existe es el grado de
pureza del polvo
obtenido, ya que solo se pueden atomizar metales que no
reaccionen de manera
violenta con el agua. Los polvos obtenidos por esta técnica son
típicamente
irregulares pero presentan buenas características para la
compactación.
-
ANTECEDENTES
21
2.9.1 DESCRIPCION DEL PROCESO DE ATOMIZACION CON AGUA.
La atomización se puede definir como un proceso de obtención de
materiales
en polvo tanto elementales como prealeados mediante el
rompimiento de un flujo
vertical de metal fundido por la acción de un medio atomizante
en este caso el
agua (24). El proceso es similar a la atomización por gas
excepto por la rapidez de
enfriamiento y por las diferentes propiedades características
del fluido. El agua es
lanzada a altas presiones directamente sobre el flujo de metal
líquido,
desintegrándolo y haciéndolo que solidifique mucho más
rápidamente. Como
consecuencia, el polvo es más irregular que el obtenido por
atomización con gas.
La textura del polvo es más rugosa con alguna oxidación. Si se
aumenta la
presión del agua utilizada para atomizar el fluido, se tiene
como resultado una
mayor velocidad de la misma y partículas de tamaños más finos.
En algunos
casos, si la capa de óxido que contamina la superficie de la
partícula es muy
perjudicial, la reducción con hidrógeno puede ser utilizada para
limpiar el polvo
después de la atomización.
Existe una innumerable variación en cuanto a los equipos
utilizados para
atomización, pero básicamente el proceso esta conformado por un
tanque en el
cual se desintegra un chorro de metal fundido por el impacto de
chorros (jets) de
agua a presión. El rango de presiones utilizadas va desde 5
hasta 20 MPa (3000
psi). Pueden usarse presiones aun mayores, las cuales
ocasionaran una
producción de polvos metálicos muy finos con tamaños por debajo
de los
37 µm ( malla 400 ) con una presión de 35 MPa (25,26).
-
ANTECEDENTES
La compañía Pacific Metals en Japón comenzó la producción de
polvos
realmente finos por atomización con agua utilizando presiones de
100 MPa.
Estos polvos tienen un tamaño promedio de 10 - 20 µm, resultando
ideales
para el moldeo por inyección. Recientemente ya se producen
polvos finos de
acero inoxidable por esta última técnica, la cual tiene un
futuro prometedor (27).
En la siguiente figura se muestra el efecto que tiene el uso de
presiones
altas de atomización sobre el tamaño de partícula obtenido, en
este caso se ilustra
un acero inoxidable tipo 316 L.
Figura 3.- Relación que existe entre la presión de atomización y
el tamaño de
partícula obtenido para un acero inoxidable 316 L(27).
22
-
ANTECEDENTES
En la literatura existen infinidad de referencias de los
diversos arreglos de los
jets de agua para la atomización aunque el arreglo más
comúnmente empleado es
aquel en el cual se utilizan 2 jets localizados de manera
simétrica opuestos uno
del otro. En la figura 4 se muestra este tipo de arreglo.
Figura 4.- Proceso de Atomización con agua, en donde el chorro
de metal fundido es desintegrado por un par de jets de agua a
presión.
Últimamente se tratan de hacer arreglos interesantes y
diferentes en los
cuales se forman cortinas de agua con el objeto de incrementar
la velocidad de
enfriamiento de las partículas de polvo, trayendo como
consecuencia que estas
sean aun mas irregulares. En cuanto al arreglo de los jets, la
regla general es que
en cuanto mayor sea el volumen de agua proyectado, la
irregularidad de las
partículas de polvo será mayor (28). Las descripciones generales
del proceso de
atomización con agua han sido dadas por Gummenson y Lawley (29),
Beddow (30),
Klar y Fesko (31), Dunkey (32,33), Reinshagen y Neupaver
(34).
23
-
ANTECEDENTES
24
2.9.2 PRINCIPALES VARIABLES EN EL PROCESO DE ATOMIZACION CON
AGUA.
En este proceso se ven involucradas muchas variables, las cuales
están
interrelacionadas unas con otras por lo que se debe considerar
como un conjunto
a todo el proceso. Como cada diseño y configuración de un equipo
de atomización
con agua es único este contará con sus propias condiciones de
operación, pero se
puede tomar como una guía general al rango de condiciones que
Klar y Fesko (35)
resumieron para la atomización con agua de manera general.
Los efectos de las principales variables del proceso sobre el
tamaño y forma
de las partículas de los polvos metálicos obtenidos se describen
a continuación:
2.9.3 ATMOSFERA DE FUSION Y ATOMIZACION.
Si se funde al metal al aire libre es lógico que el contenido de
oxígeno en el
metal líquido se incrementará y por ende se formará una capa de
óxido en las
partículas resultantes. Además, las partículas absorben humedad
del medio
formando también óxidos hidratados afectando en consecuencia las
propiedades
mecánicas de los productos consolidados con este tipo de
partículas. Esto puede
evitarse si se funde en una atmósfera inerte o al vacío, así
como agregando
aditivos antioxidantes al agua que sirve de medio
atomizante.
-
ANTECEDENTES
25
2.9.4 CONDICIONES DEL METAL FUNDIDO.
La forma de las partículas metálicas obtenidas puede controlarse
mediante la
adición de ciertos elementos denominados aleantes. Algunos
impiden la
esferoidización y ayudan a producir polvos irregulares ya que
estos disminuyen la
tensión superficial del metal fundido. Otros, por el contrario,
incrementan la
viscosidad y reaccionan con el oxígeno presente en el medio para
formar algún
óxido estable, protegiendo a las partículas de una oxidación
mayor maléfica para
las propiedades mecánicas de los productos consolidados
(36).
Otros aditivos, tales como el boro en aleaciones base Níquel,
interfieren con
la formación de la capa de óxido alrededor de la partícula en el
enfriamiento
permitiendo que las fuerzas de tensión superficial originen que
la partícula líquida
deformada obtenga una forma esférica antes de solidificar
(37).
La densidad del metal líquido es un parámetro difícil de medir
desde el punto
de vista de transferencia de energía y momentum, pero podemos
decir que
cuando la densidad disminuye, el tamaño medio de partícula
disminuye también
pero la irregularidad aumenta.
Se ha reportado que a medida que la temperatura de líquidus del
metal
fundido se incrementa, el tamaño medio de partícula, la
esfericidad y el rango de
distribución del tamaño medio de partícula se incrementan
también (38). Se ha
reportado también un pequeño rango de transformación en el cual
se incrementa
la esfericidad de la partícula (39). Al incrementarse el
sobrecalentamiento del metal
líquido, la viscosidad y la tensión superficial disminuyen
originando una
disminución también del tamaño medio de partícula.
-
ANTECEDENTES
Un enfriamiento lento permite que las partículas que se van
solidificando
tomen una forma esférica pero esto ocasiona también un
incremento de la
cantidad de oxígeno en la superficie. Los efectos sobre la
tensión superficial son
relativamente modestos cuando se incrementan 100oC como
sobrecalentamiento
del metal líquido la disminución en el tamaño de partícula será
de entre un 5 –
10% para metales que funden por encima de los 500oC.
Un claro ejemplo del efecto del sobrecalentamiento sobre el
tamaño de
partícula cuando se atomizan metales de bajo punto de fusión con
agua se
observa en la siguiente figura. Estos datos fueron para la
atomización de un chorro
de zinc de 2.5 mm con una presión de 10.5 MPa (1600 psi). En
este caso hubo
una reducción del tamaño de partícula desde 150 µm a 100 µm para
un
sobrecalentamiento desde 100oC hasta 300oC (40).
Figura 5.- Tamaño de partícula de zinc atomizado con agua en
función del
sobrecalentamiento(40).
26
-
ANTECEDENTES
27
Si se incrementa la velocidad de flujo del metal fundido por
medio de un
aumento en el diámetro del contenedor de dicho metal líquido, o
se presuriza este
metal dará como resultado una mayor cantidad de energía
disponible por unidad
de masa para la atomización trayendo como consecuencia un
aumento en el
tamaño medio de partícula así como una disminución de la
irregularidad de la
misma (38).
Al aumentar el sobrecalentamiento del metal fundido habrá una
disminución
de la tensión superficial, favoreciendo con esto la producción
de polvos de forma
irregular. Esto se podrá contrarrestar debido a que también
habrá una reducción
de la viscosidad y un tiempo más largo para que se formen las
partículas esféricas
durante el enfriamiento.
En base a lo anterior, Small y Bruce (39) demostraron que, en la
atomización
con agua un incremento en la temperatura del metal fundido
aumenta la
probabilidad de obtener un polvo esférico. Sin embargo, en la
atomización con
gas, donde el enfriamiento de las partículas es menos severo,
encontraron que la
temperatura del metal fundido no es un factor determinante de la
forma de las
partículas obtenidas.
Durante la atomización, las partículas de polvo fino se forman
más fácilmente
cuando la tensión superficial y la viscosidad son mínimas.
Thomson (41) establece
que la tensión superficial es el factor principal que gobierna
el tamaño de las
partículas.
-
ANTECEDENTES
28
2.9.5 TAMAÑO DEL ORIFICIO DEL CRISOL QUE CONTIENE AL METAL
FUNDIDO.
Hall (42) y Probst (36) establecieron que para incrementar la
eficiencia en la
atomización y poder producir polvos más finos se debe concentrar
la energía del
medio atomizante sobre el chorro de metal fundido.
Sin importar cual sea el medio atomizante el tamaño de la
partícula de polvo
se incrementa con el diámetro del chorro de metal fundido. De
acuerdo a
Thomson (41) la energía requerida para desintegrar el chorro de
metal es una
función de la superficie total de polvo producido. En
consecuencia, un incremento
de la velocidad del flujo de metal a ser atomizado llevará a
obtener polvos más
gruesos. Por esta razón el diámetro del chorro de metal fundido
generalmente es
menor a 10 mm.
2.9.6 LONGITUD DEL CHORRO DE METAL FUNDIDO.
Al disminuir la longitud del chorro de metal fundido entre el
crisol y la zona de
impacto, existe una menor divergencia del chorro y también se
reduce la
probabilidad de algún desajuste del ángulo ápice o de
rompimiento. Si se
disminuye esta longitud también tiende a reducirse el rango de
distribución de
tamaños de partícula. Sin embargo, desde un punto de vista
operacional un chorro
de metal fundido corto aumenta la posibilidad de salpicaduras y
un posible
enfriamiento del chorro de metal en el orificio del crisol que
contiene al metal
fundido.
-
ANTECEDENTES
29
2.9.7 CONDICIONES DEL MEDIO ATOMIZANTE (AGUA).
Si se incrementa la presión del agua y la velocidad de flujo, se
incrementará
la energía disponible por unidad de tiempo para desintegrar el
chorro de metal
fundido. Por lo tanto, si se incrementan estos 2 factores
disminuirá el tamaño
medio de partícula y se incrementará la irregularidad de las
mismas. También se
ha reportado en la literatura que la influencia de la velocidad
de flujo del agua
sobre el diámetro medio de partícula es prácticamente
despreciable (43). Además
se ha reportado en la literatura que incrementando la presión o
velocidad del agua
disminuye el rango de la distribución de tamaño de partícula. Al
incrementar la
presión del líquido atomizante, en este caso agua, se eleva la
energía disponible.
Para un flujo de metal constante esto significa una disminución
del tamaño
de partícula.
Lo anterior se corrobora mediante la siguiente expresión que
obtuvieron
Small y Bruce (39) en la cual si se incrementa la presión el
tamaño de las partículas
obtenidas disminuye.
dm = ln (P/A)n
Donde:
dm = Tamaño de partícula y está en µm
A y n son constantes
P = Presión del agua de atomización
-
ANTECEDENTES
30
Otra manera más clara para explicar lo anterior la realizó
Dunkley (23,24)
quien propuso la siguiente relación:
dm = KP-n
Donde:
dm = Tamaño de partícula
K y n son constantes
Cuando el tamaño de partícula se expresa en µm, n está
típicamente en el
rango de 0.6 a 0.8 para presiones de atomización con agua de 0.1
a 20 MPa
respectivamente
En el proceso de atomización una parte esencial es la tobera,
debido a que
esta controla el flujo y el patrón del agua e influye en la
eficiencia de la
desintegración del chorro de metal fundido. A pesar de que
existe una gran
diversidad de diseños de toberas, en la atomización con agua, se
hacen
generalmente arreglos en los cuales estas muestran
distribuciones alrededor del
chorro de metal fundido.
La configuración normalmente utilizada en la atomización con
agua es la de
caída libre, en la cual el metal fundido sale del crisol y cae a
una cierta distancia
bajo la acción de la gravedad antes del choque con los chorros
de agua. La
distancia de la caída libre del chorro de metal fundido varía en
el intervalo de 100
a 300 mm.
-
ANTECEDENTES
Las configuraciones más utilizadas de los chorros de agua son el
chorro
anular (cónico) o chorros planos opuestos en forma de V. Estos
últimos producen
un patrón de rocío en forma de abanico de dos chorros planos de
agua opuestos
en forma de V (figura 6).
Figura 6. - Diseño de las toberas en forma de V por Granzol y
Tallmadge.
31
-
ANTECEDENTES
32
2.9.8 EFECTO DEL ANGULO APICE ENTRE LAS TOBERAS SOBRE EL TAMAÑO
DE LAS PARTICULAS.
Huseby (36) e Ingram y Durdaller (44) estudiaron el efecto del
ángulo ápice o
de rompimiento como se le denomina al ángulo entre las toberas
atomizadoras,
sobre el tamaño de las partículas metálicas obtenidas.
El primero encontró que, incrementándose el ángulo desde 10 a
110° se
obtiene polvo más fino y permite el uso de presiones más bajas
de agua para
producir el mismo tamaño de polvo.
Ingram y Durdaller confirmaron estos resultados solo que en un
rango que va
de 24 a 42°. Batten y Roberts (36) afirman que la forma de las
partículas de los
polvos obtenidos puede controlarse por medio del ángulo
ápice.
Estos investigadores establecieron que en el ángulo ápice entre
80 y 100°
hay un control óptimo sobre la forma y tamaño de las partículas
obtenidas, pero
con ángulos mayores a 110° ya se pueden presentar problemas
durante la
atomización.
-
ANTECEDENTES
Grandzol y Tallmadge (45) obtuvieron una relación para la
atomización con
agua usando un modelo en el cual se tienen 2 jets de líquido
atomizante en la cual
se observa la influencia que tiene el ángulo que se forma entre
las toberas y el
chorro de metal líquido y la velocidad con la cual el agua
impacta a este último.
La relación que se obtuvo es la siguiente:
dm = VwB Sen α
Donde:
dm = Tamaño de partícula expresado en µm
Vw = Velocidad del medio atomizante en este caso agua (m/s)
α = Ángulo entre el chorro de metal líquido y las toberas
B = 2750 Tomando en cuenta las unidades anteriores
2.9.9 TRAYECTORIA DE VUELO DE LAS PARTICULAS DENTRO DEL TANQUE
DE ATOMIZACION.
Como ya se ha mencionado en repetidas ocasiones, en este proceso
el
medio de enfriamiento o líquido atomizante es el agua. Cuando el
nivel de líquido
en el tanque contenedor del equipo aumenta, la trayectoria de
vuelo de las
partículas disminuye, así como el contenido de oxígeno, debido a
que las
partículas tenderán a enfriarse más rápidamente.
33
-
ANTECEDENTES
34
Si la trayectoria de vuelo es muy corta es de esperarse que las
partículas
sean más irregulares debido al súbito enfriamiento de las
partículas sin dar
oportunidad a que las fuerzas de tensión superficial tengan
tiempo para formar
partículas más esféricas.
Por otra parte la formación de óxidos muy estables en la
superficie de las
partículas inhibiría la formación de partículas completamente
esféricas por lo que
se presentaría irregularidad y rugosidad de las mismas.
2.9.10 CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS METALICOS OBTENIDOS.
Los polvos metálicos deben ser considerados como materia prima y
no como
producto final. Estos polvos se elaboran teniendo en cuenta su
aplicación
inmediata y los requisitos exigidos por ella, por cuya razón se
emplean varios
procedimientos para obtenerlos.
Los polvos metálicos se diferencian entre sí y se clasifican
atendiendo a las
características siguientes: a) tamaño de partícula, b) forma de
la partícula, c)perfil
de superficie, d) porosidad y e) impurezas presentes.
La forma de las partículas del polvo metálico tiene tanta
trascendencia por lo
que se ha de determinar si ha de ser angular, dendrítica,
irregular o lisa y
redondeada, dependiendo de la aplicación que se le vaya a
destinar. Es por esto
que en la fabricación de polvos metálicos se intentan controlar
todas estas
características con el fin de satisfacer a los consumidores más
exigentes.
-
ANTECEDENTES
35
Por lo anterior, es preciso estudiar meticulosamente las
características de
todo polvo metálico, porque para poder establecer
especificaciones correctas es
preciso conocer el comportamiento del polvo como tal. En la
actualidad apenas
existen especificaciones referentes a los polvos metálicos, pues
la mayoría de las
utilizadas por los distintos fabricantes han sido establecidas
por medios
meramente empíricos.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
36
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.0 DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL ATOMIZADOR CON AGUA EN EL
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA DEL IPN EN EL AREA DE
METALURGIA DE POLVOS.
El equipo fue construido en el área de metalurgia de polvos para
su
utilización en este trabajo y en futuras aplicaciones como una
aportación más para
el desarrollo de esta área en el departamento de ingeniería
metalúrgica.
3.1 CARACTERISTICAS GENERALES DEL ATOMIZADOR.
El metal se funde en un horno de inducción de resistencias de
carburo de
silicio, alcanza una temperatura máxima de 1200°C y cuenta con
un crisol de
hierro colado recubierto con pintura de zircón, para evitar una
posible
contaminación de hierro. Tiene una capacidad de 1 litro
aproximadamente. Este
crisol tiene un orificio de 7 mm de diámetro por donde el metal
fluye en caída libre.
El agua es suministrada por medio de una bomba hacia 2 toberas
de
atomización para después chocar y desintegrar el chorro de metal
líquido. El agua
es almacenada en un depósito que se conecta a la bomba. La
máxima presión
que se alcanza en el proceso es de 2500 psi. El agua es
recolectada y reciclada.
El tanque de atomización es de acero inoxidable al igual que la
tubería y
conexiones empleadas para mayor seguridad y duración. En la
parte inferior del
tanque se localiza un colector de polvos para un mejor manejo de
extracción de
los mismos. Los polvos recolectados pueden ser recocidos para
suavizarlos
(ablandarlos) y reducir su contenido de oxígeno para así mejorar
el grado de
pureza de los mismos.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Las toberas por donde se suministra el agua a presión fueron
diseñadas en
base a los modelos físicos de Grandzol y Tallmadge (45), las
cuales están
dispuestas de manera opuesta en forma de V produciéndose un
patrón de rocío
en forma de abanico.
En la figura 7 se muestra de manera esquemática al atomizador
completo
con cada uno de los componentes que lo conforman:
Figura 7.- Esquema del atomizador con todos sus componentes.
37
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
38
3.2 DISEÑO DEL CONTENEDOR.
El contenedor fue construido de acero inoxidable debido a que
este material
presenta ventajas tales como resistencia a la corrosión y por
ende mayor
durabilidad, superficie lisa lo cual ayuda a que las partículas
no se adhieran y
tenga una apariencia agradable a la vista.
El contenedor es de forma rectangular con dimensiones de 1.80 m
de alto
por 1.20 m de ancho y una base de 1.20 m, para su construcción
se usaron
láminas de acero inoxidable las cuales se soldaron para obtener
la forma
requerida. En la parte superior se colocó una tapa también del
mismo material la
cual tiene unas dimensiones de 1.20 x 1.20 m y un orificio en la
parte central de la
tapa por donde fluye el chorro de metal líquido, que proviene
del crisol que está en
un horno que se encuentra sobre el contenedor.
En la figura 8 podemos ver que el contenedor cuenta también con
una
pequeña ventana que permite observar el proceso de atomización y
llevar a cabo
una calibración de la caída del metal fundido con respecto a las
toberas para que
este caiga de manera centrada entre ambas, así como llevar acabo
una
inspección al término de cada corrida y verificar que el polvo
haya quedado
debidamente asentado en el colector de polvos.
El tamaño del contenedor fue determinado en base a la
trayectoria de vuelo
de las partículas, la cual debería ser suficiente para que
lograran solidificar
adecuadamente y tendieran a ser lo menos irregulares. Con las
dimensiones del
contenedor que se tienen se asegura que las partículas tengan
tiempo suficiente
para solidificar.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
En la parte inferior del contenedor se construyó además un
colector de
polvos, elaborado también de acero inoxidable, cuya forma es
como la de una
pirámide de base cuadrada cuyos lados son de 122 cm y una altura
de 50 cm
como se muestra en la figura 9. Se tiene además una válvula de
bola de PVC que
permite el libre drenado de los polvos y del agua utilizada en
el proceso.
39Figura 8.- Vista frontal del contenedor y ventana.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Figura 9.- Colector de polvos con válvula de bola de PVC para el
drenado de los polvos obtenidos y vista superior del
contenedor.
40
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
41
3.3 SISTEMA HIDRAULICO.
La instalación hidráulica se diseño de acuerdo a un volumen de
producción
necesario únicamente para una cuestión de investigación
requiriendo en este caso
una cantidad de polvo no mayor a un kilogramo. En la figura 10
se muestra al
sistema hidráulico de manera esquemática.
Como se requiere una presión alta para tener una gran velocidad
a la salida
de la tobera de atomización, la presión del fluido (en este caso
agua) se debe
controlar por medio de un manómetro y una válvula de seguridad
calibrada.
También se necesitan válvulas de paso para un adecuado
mantenimiento del
sistema, estos componentes se muestran en las figuras 11 y
12.
Un aspecto importante que se tomó para la selección de los
materiales para
la construcción del sistema hidráulico es la corrosión, por lo
que deben ser
resistentes a ésta haciendo que este sea un proceso sanitario,
es decir, que no se
almacenen sedimentos orgánicos y minerales en el sistema los
cuales puedan
interferir en los resultados obtenidos. Por lo anterior, se
llegó a la conclusión de
que también deben ser componentes de acero inoxidable.
Las toberas de atomización también forman parte del sistema
hidráulico
pero serán descritas más adelante.
La instalación hidráulica consta, además, de un depósito que
contendrá el
agua requerida para el proceso de atomización (ver figura 11),
la cual será
impulsada por la tubería por medio de una bomba la cual la
succionara y la hará
llegar hasta las toberas para llevar a cabo el rompimiento del
metal fundido y con
ello la obtención del polvo metálico.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
La figura 10 muestra de manera esquemática al sistema hidráulico
con los
componentes que lo conforman:
Figura 10.- Esquema del sistema hidráulico y sus
componentes.
42
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
43
La tabla 2 indica las partes y componentes del sistema
hidráulico de
acuerdo al diseño planteado en el siguiente trabajo.
Tabla 2.- Partes y componentes del sistema hidráulico.
DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS Depósito para agua Cilindro con
capacidad de 450 litros Bomba 17.24 MPa (2500 psi o lb/in2)
1725 rpm 29.9 l/min
Motor Marca Siemens 15 HP 440 V 1750 rpm
Válvula de paso (bola) Acero inoxidable 304 de 2.54 cm (1plg),
roscado para 20.69 MPa (3000 psi)
Conexiones Acero inoxidable cédula 40, conexiones hembra de 2.54
cm (1plg), para 20.69 MPa (3000 psi)
Tubería Acero inoxidable cédula 40; conexiones macho de 2.54 cm
(1plg), para 20.69 MPa (3000 psi)
Válvula de seguridad para control de presión
Acero inoxidable 304, conexiones hembra de 2.54 cm (1plg), por
1.27 cm (1/2 plg) para 17.24 MPa (2500 psi)
Manómetro Acero inoxidable para 20.69 MPa (3000 psi), con
carátula de 6.35 cm (2 ½ plg) y conexión inferior de 0.635 cm (1/4
plg) roscado
Reducciones Tipo Bushing en acero inoxidable 304 de 2.54 cm
(1plg) por 0.635 cm (1/4 plg)
Toberas Acero inoxidable 316, conexión macho de 0.635 cm (1/4
plg) y orificio de 5mm
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Figura 11.- Depósito de agua con capacidad de 450 litros y vista
de una parte del sistema hidráulico mostrando la tubería, la
válvula de seguridad, el manómetro y la
bomba.
Figura 12.- Acercamiento de la válvula de seguridad, manómetro y
toberas de atomización.
44
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.4 SISTEMA ELECTRICO.
El sistema eléctrico esta constituido principalmente por un
motor con las
siguientes características: Marca Siemens, potencia de 15 HP,
440 Volts, 22 Amp,
1750 rpm, tipo NEMA B con jaula de ardilla el cual proporcionará
el impulso
necesario para que la bomba alcance las 2500 psi de presión.
Figura 13.- Motor Siemens tipo NEMA B con jaula de ardilla y
bomba.
Además se utilizó cable tipo AwG, calibre 10 resistente a una
temperatura
superior a los 30oC para poder alimentar de corriente al motor
utilizado desde una
fuente de alimentación. El cable pasa por tubo tipo conduit para
mayor seguridad y
evitar algún problema con el manejo de la corriente eléctrica.
Para poner al motor
en marcha se instaló un arrancador manual para 15 HP y 27.50 Amp
el cual se
acciona de igual manera al final del proceso para detener el
accionar del motor.
45
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.5 SELECCION DE LAS TOBERAS (BOQUILLAS).
Las toberas son elementos claves de un atomizador. Su función,
la
producción de la pulverización, está estrechamente relacionada
con el tipo de
tobera o boquilla y material de construcción.
Las toberas se deben seleccionar fundamentalmente en
correspondencia
con la función que va a desempeñar. Las toberas o boquillas
están diseñadas para
ser utilizadas bajo diferentes condiciones, por tanto, puede
encontrarse más de
una que corresponda con las necesidades que se tengan o del
proceso a utilizar.
En el presente trabajo se eligió al tipo de tobera denominada de
rociado
plano que se muestra en la figura 14 debido a que este tipo de
rociado tiene la
forma de una lámina plana de líquido y además fue fácil de
adquirir.
Figura 14.- Tobera de rociado plano y representación de la
formación de la lámina plana de líquido.
46
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Este tipo de rociado se puede lograr por medio de un orificio
que puede ser
elíptico o redondo sobre una superficie desviadora que es
tangente al orificio de
salida.
El orificio cuenta con una ranura externa con un radio
cilíndrico moldeado
internamente, o en forma de “ojo de gato”. En el diseño del
orificio elíptico, el
rociado sale del orificio en línea con el tubo.
En el presente trabajo se utilizaron 2 toberas de atomización de
este tipo
colocadas de manera opuesta en el arreglo del tipo v como se
observa en la figura
15 y como lo recomienda además Grandzol y Tallmadge (45)
Figura 15.- Toberas de atomización armadas en el atomizador en
arreglo tipo v.
47
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
48
.6 SISTEMA DE FUSION Y VACIADO DEL METAL.
Existen dos tipos de hornos eléctricos para la fusión de
metales, el de arco
En la tabla 3 se describen los componentes utilizados del
sistema de fusión
Tabla 3.- Partes y componentes del sistema de fusión y vaciado
del metal.
3
y el de inducción. Los hornos de arco se emplean para fundir y
producir aceros de
aleación y aceros al carbono de alta calidad; el horno de
inducción se utiliza para
fundir cantidades relativamente pequeñas de aleaciones costosas,
aceros y
materiales no ferrosos.
y vaciado del metal con más detalle.
DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS Crisol Hierro gris
0 ml Forma cónica y capacidad de 85Orificio inferior de 7 mm
Bayoneta lg) Hierro colado de 0.850 cm (0.334 pde diámetro x 25
cm (9.842 plg) de largo, terminada en punta y recubierta de pintura
refractaria.
Resistencias y 40.64
Elaboradas de carburo de silicio 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro
cm (16 plg) de longitud.
Aislante térmico Ladrillo refractario de alta alumina.
Ventiladores Material de plástico
ámetro, para 17.62 cm (3 plg) de di 27 V Termopar Tipo k
NiCr-NiAl
de 1372oPara temperaturas C Microprocesador analógico de s a los
temperatura marca Fluke
Para temperaturas superioreo1200 C
Regulador de temperatura Marca BARBER COLMAR Suministro T máx de
1110 C (2000o oF)
e Switch de navaja 240 V, 30 Amp qualimenta a un
transformador.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
49
.6.1 HORNO DE FUSION.
as del proceso de atomización como lo son el
olumen necesario de producción de polvo para investigación, la
temperatura de
aprecian con detalle las dimensiones que tiene el horno
onstruido así como los elementos que lo componen:
3
Debido a las característic
v
fusión del metal de estudio así como de otros considerados a
futuros trabajos y los
costos de los materiales requeridos, se llegó a la conclusión de
construir un horno
eléctrico con resistencias de carburo de silicio, el cual
alcanza un máximo de
temperatura de 1200oC.
En la figura 16 se
c
Figura 16.- Componentes del horno de resistencias de carburo de
silicio.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
50
El cuerpo principal del horno fue construido con acero
inoxidable el cual lo
ará más duradero y de apariencia agradable a la vista. Este
horno consta de 8
h
resistencias de carburo de silicio conectadas en serie a una
fuente de alimentación
con las cuales es posible alcanzar una temperatura máxima de
1200oC. Las
resistencias están soportadas en ladrillo refractario el cual
permitirá que no haya
muchas pérdidas de calor en todo el sistema y así el proceso sea
más eficiente.
Para asegurar aun más esta cuestión, el horno cuenta con una
tapa de acero
inoxidable como se muestra