Metalurgia de Polvos

METALURGIA DE POLVOS

Presentado por:Anthony Molina Torres

David Felipe Acosta

INTRODUCCIÓN La pulvimetalurgia o metalurgia de

polvos como su nombre lo dice, consiste en producir polvos metálicos para utilizarlos en la fabricación de otros elementos. Los componentes manufacturados con este método poseen alta resistencia, ductilidad y tenacidad, entre otras propiedades.

INTRODUCCIÓN La primera investigación estuvo a cargo de

Woolaston en 1829, quien aportó estudios en la producción de platino compacto a partir de polvo con esponja de platino.

En el siglo XX, fue Coolidge quién se encargo de realizar trabajos con polvo de tungsteno y realizando mejoras a las propiedades del mismo, consiguió un nuevo método para la fabricación de metales refractarios como: molibdeno, tantalio y columbio.

Objetivos Reconocer la importancia de la

metalurgia de polvos en la industria.

Entender el proceso de preparación de los polvos metálicos.

Conocer las aplicaciones y propiedades de los polvos metálicos

INTRODUCCIÓN El procesamiento del metal en polvo

requiere de dos operaciones fundamentales que se conocen como compactado y sinterizado.

El compactado consiste en realizar un aglomerado con mezclas de polvos que se han preparado con antelación, ya sea a temperaturas normales o elevadas; el aglomerado producto de la compactación suele presentar un color verde.

INTRODUCCIÓN El sinterizado es el encargado de conferir

resistencia mecánica y consiste en someter los aglomerados de color verde al calor en una atmósfera inerte y con una temperatura inferior al punto de fusión del metal sólido.

La preparación y obtención de los polvos de metal, requiere de tres métodos muy importantes que son: atomización, reducción de óxidos y la depositación electrolítica.

INTRODUCCIÓN La atomización es un método que se

utiliza mucho en metales con bajo punto de fusión (aluminio, zinc, cadmio y plomo) y consiste en que el metal líquido se fuerza a través de un pequeño orificio, mientras que una corriente de aire comprimido hace que el metal se desintegre y solidifique en partículas finas divididas, un elemento atomizado suele estar en forma de partículas esféricas, como puede observarse en la siguiente figura:

Metalurgia de Polvos

Fig. 1 Forma de polvos producidos por el método de Atomización

Metalurgia de Polvos Pueden obtenerse diferentes tamaños

de partículas, variando condiciones como temperatura del metal, presión, flujo del orificio, etc.

Una de las principales ventajas de la atomización es la flexibilidad, ya que permite obtener polvos de diferentes estilos de finura y de manera uniforme.

Metalurgia de Polvos La reducción de óxidos es un método

conveniente, económico y flexible para hacer polvos; consiste en reducir con monóxido de carbono o hidrógeno, óxidos químicamente producidos para reducir el polvo y posteriormente esmerilarlo. Las partículas producidas por este método son de estructura tipo esponja, de forma irregular, fáciles de moldear y son partículas porosas como se puede observar en la figura:


Fig. 2 Forma de polvos producidos por el método de Reducción de Óxidos.

Metalurgia de Polvos Con este método se producen polvos de

hierro, níquel, cobalto y cobre. También es un método que permite la producción de polvos de metales refractarios como molibdeno y tungsteno.

Metalurgia de Polvos El método de depositación electrolítica

es muy utilizado para la fabricación de polvos altamente puros, entre los que están el cobre y el hierro. En ocasiones este método también es conocido como electrodeposicion, consiste en depositar el polvo directamente del electrólito, esto mediante unas condiciones adecuadas de densidad de corriente, temperatura y correcta selección del electrólito.

Metalurgia de Polvos El depósito puede ser una sustancia

suave y esponjosa hasta obtener un polvo o puede ser un metal duro y frágil, los polvos obtenidos por este último tipo de metal, no son adecuados para el moldeo

Metalurgia de Polvos De acuerdo a la figura No. 3 que se

muestra a continuación, la forma del polvo obtenido por depositación electrolítica puede ser dendrítica; esta estructura tiende a dar buenas propiedades al moldeo.


Fig. 3 Forma de polvos producidos por el método de Depositación Electrolítica.

Metalurgia de Polvos Las características de los polvos de

metal y de los productos terminados a base de estos, son muy dependientes de las características básicas del material del polvo, entre las más importantes están: la composición química, densidad aparente, pureza, el tamaño, microestructura, forma y distribución de partícula.

Metalurgia de Polvos Los polvos metálicos pueden

subdividirse en tamaño de tamiz y subtamiz. Los que pertenecen a la clase tamiz, deben pasar por una malla número 200; mientras que los polvos que pertenecen a la clase de subtamiz, pasan por una malla número 325.

Metalurgia de Polvos Una característica relevante los polvos

metálicos es la distribución del tamaño de partícula, ya que dicho tamaño influirá en el comportamiento durante el moldeado y sinterizado. En síntesis, es preferible un polvo más fino ya que éstos tienen menores tamaños de poros y mayores áreas de contacto, lo que permite mejoras en las propiedades físicas después de sinterizar; por el contrario un polvo muy grueso hace muy complejo el procesamiento.

Metalurgia de Polvos Otra importantísima característica es la

naturaleza de la superficie de las partículas individuales, ya que el carácter de la superficie influye en las fuerzas de fricción entre las partículas, lo cual es importante cuando el polvo fluye y se deposita para la compactación.

Metalurgia de Polvos Dicha forma de partícula es importante

porque si la partícula es esférica, posee grandes afinidades al sinterizado y a la uniformidad del producto final; aunque se ha descubierto que las partículas con formas irregulares pueden presentar superioridad para el moldeo práctico.

Metalurgia de Polvos Cabe mencionar para esta característica

que el empaquetamiento consta de tres procesos: llenado de espacios de partículas grandes por partículas pequeñas (empaquetamiento intersticial), rompimiento de puentes, rotación mutua de partículas.


Fig.4 Ejemplo de empaquetamiento intersticial. Fig. 5 Modelo del efecto

formación de puentes.

Metalurgia de Polvos Una acción esencial de la metalurgia de polvos, es

un buen mezclamiento; ya que la uniformidad del producto terminado depende de la correcta combinación y mezclamiento de los polvos a trabajar.

Para lograr una cantidad de porosidad deseada, se deben agregar una buena combinación de polvos de aleación, agentes de volatilización y lubricantes; realizando un correcto mezclamiento. El tiempo de mezclado puede variar de minutos a varios días, dependiendo del producto final que se pretenda obtener.

Metalurgia de Polvos Como se mencionó al inicio, el

compactado hace parte de uno de los procesos más importantes de la metalurgia de polvos, ahora se va a definir de manera más específica los tipos de compactados que existen.

Metalurgia de Polvos El propósito del compactado es comprimir

el polvo tan cerca como sea posible a las dimensiones finales y también pretende proporcionar el tipo de porosidad deseado y resistencia a la manipulación.

Generalmente el compactado se hace en frío, aunque hay algunas aplicaciones en las que los comprimidos se trabajan en caliente.

Metalurgia de Polvos Las técnicas de compactado se dividen

en dos tipos: Técnicas de presión: Compactado por troquel: Es un método de

compactado muy utilizado, consiste en llenar la cavidad del troquel con un volumen definido de polvo; la aplicación de la presión requerida mediante el movimiento de punzones superior e inferior uno hacia el otro y la expulsión del comprimido verde por el accionar del punzón inferior (Figura 6).


Fig. 6 Esquema del Compactado por troquel para formar piezas en polvo.

Metalurgia de Polvos Las características de las prensas

mecánicas o hidráulicas que permiten realizar compactación son alta velocidad de producción, flexibilidad en el diseño, economía de operación y costos de inversión, etc.

Las prensas más utilizadas son uniaxiales, en la que la presión se aplica al polvo en una sola dirección.

Metalurgia de Polvos Mediante compactación uniaxial pueden

obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica.

Un inconveniente de la compactación uniaxial es la baja relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la pieza y las zonas más próximas al punzón.

Metalurgia de Polvos Compactado isostático: Este es un

método que se ha utilizado mayormente en materiales cerámicos, consiste en aplicar igual presión en todas las direcciones y colocar el polvo en un molde de hule para posteriormente sumergirlo en un baño líquido dentro de un recipiente de presión, se obtienen propiedades mecánicas y densidades muy uniformes, debido a la aplicación también uniforme de la presión.

Metalurgia de Polvos Técnicas de forja y de extrusión: Esta es

otra técnica en la que por lo general las piezas no requieren sinterizado. Se trata de “enlatar” el polvo para realizarle calentamiento y luego forjar o extraer; después de realizar alguna de estas últimas acciones el recipiente se elimina mecánica o químicamente. Finalmente, se obtienen comprimidos de densidad muy alta. La figura No. 7 es un ejemplo de este tipo de técnica.


Fig. 7 Método de extrusión de alambres y varillas a partir del metal en polvo.

Metalurgia de Polvos Compactado vibratorio: Consiste en aplicar

presión y vibración al mismo tiempo a una masa de polvo introducida en un troquel, permitiendo utilizar presiones muy bajas y logrando un buen nivel de densificación.

Compactado continuo: Las técnicas comerciales consisten en el flujo de polvo suelto entre un conjunto de rodillos verticalmente orientados, este compactado se utiliza en elementos como tubos, varillas, láminas, etc.

Metalurgia de Polvos Técnicas sin presión Proceso de deslizamiento: Es un método utilizado

muy poco en materiales metálicos y mucho más en materiales cerámicos. Consiste en crear un artefacto, denominado “patín”, que contiene el polvo suspendido en líquido y aditivos que evitan el asentamiento de partículas, posteriormente el patín se introduce en un molde que da forma a la pieza, hecho de material absorbente de fluidos. Finalmente, la pieza se saca del molde, se seca y sinteriza. Cuando hay altos volúmenes de producción, está técnica es inadecuada, ya que requiere mucho tiempo de ejecución.

Metalurgia de Polvos Compactado por gravedad: Se utiliza un troquel de

una material inerte como grafito, para introducir en él, el polvo suelto que luego se sinteriza. Debido a que no hay presión, las piezas son un poco porosas.

Compactado continuo sin presión: La aplicación del polvo se realiza en forma de suspensión, parecido al proceso de deslizamiento; dicha suspensión se revierte sobre una lámina sólida o una rejilla de metal, para producir materiales poco comunes. Una aplicación de este tipo de compactado es la producción de láminas porosas para baterías recargables de Níquel-Cadmio.

Metalurgia de Polvos Cabe resaltar que una de las propiedades más

importantes del compactado es la densidad del comprimido verde; ya que esta no solo indica la efectividad del compactado, sino también el comportamiento del material al posterior sinterizado.

El sinterizado se efectúa a una temperatura generalmente inferior a la del constituyente de más alto punto de fusión. En algunos casos la temperatura es suficiente para formar constituyentes líquidos y en otros casos, no es necesaria la fusión de los constituyentes.

Metalurgia de Polvos El horno eléctrico por su uniformidad de

temperatura, suele ser más adecuado para realizar el sinterizado. En general, los hornos son continuos con tres cámaras: cámara de purga, cámara de alta temperatura y cámara de enfriamiento.

Es este proceso debe evitarse la formación de óxidos, ya que estos dificultan el enlace entre partículas; una forma de solucionar esto es utilizar atmósferas protectoras, se utilizan atmósferas secas de hidrógeno para sinterizado de carburos refractarios.

Metalurgia de Polvos El proceso de sinterizado empieza con el enlace

entre partículas conforme el material se calienta. El enlace incluye la difusión de átomos donde hay contacto íntimo entre partículas adyacentes que dan lugar al desarrollo de fronteras de grano.

Esta etapa origina un incremento en resistencia y dureza, aún después de breves exposiciones a elevada temperatura. Durante la siguiente etapa, las áreas de enlace recientemente formadas llamadas “cuellos”, crecen en tamaño, seguidas por un redondeamiento de los poros. La anterior explicación puede observarse en la figura No. 8.


Fig. 8 Esquema de un modelo de tres esferas de sinterización: a) puntos originales de contacto, b) crecimiento de cuello, c) y d) redondeamiento del poro.

Metalurgia de Polvos presionado en caliente; el cual consiste

en aplicar los dos métodos anteriores al mismo tiempo, es decir realizar compactado y sinterizado en una sola operación, generando mayores densidades y producciones más grandes, además de mayores resistencias, dureza, elongación y densidad.

Metalurgia de Polvos operaciones suplementarias como son: presionado final

de represión, pre sintetizado y re sinterizado.

El presionado final de represión, es una operación de trabajado en frío que se realiza posterior a la sinterización y se hace con el fin de condensar el comprimido sinterizado.

El presintetizado consiste en interrumpir el calentamiento de sinterizado en una temperatura intermedia, para que el compactado pueda manipularse y mecanizarse sin dificultad.

El resinterizado se hace con el fin de lograr un incremento en las propiedades mecánicas. A pesar del incremento en resistencia, del re sinterizado puede resultar un gran tamaño de grano.

Metalurgia de Polvos Otra operación suplementaria que puede

utilizarse después de sinterizar es la Impregnación para penetrar en la red porosa del material, bien con aceite, caso de los cojinetes, o bien con metal fundido cuando no se desee que el material sea poroso.

Para completar la manufactura de las piezas

fabricadas con polvos de metal, se pueden realizar diversas operaciones como maquinado, cizallamiento, escariado, pulido, enderezamiento, esmerilado, entre otras.

Aplicaciones Las técnicas de la metalurgia de polvos se

utilizan para producir metales refractarios, metales compuestos, metales porosos y combinaciones de metal-no metal. Además este tipo de metalurgia representa un método muy práctico de producir molibdeno, tantalio y otros metales del mismo grupo.

Uno de los usos más importantes es la combinación de materiales duros en una matriz metálica, lo cual genera productos de carburos cementados.

Metalurgia de Polvos Las combinaciones metal-no metal han tenido

amplia utilización en la manufactura de diversos materiales de fricción, como revestimientos para embrague, zapatas para freno. Las combinaciones cobre-grafito se utilizan como escobillas colectoras de corriente y en cojinetes de bronce poroso y hierro.

La metalurgia de polvos es muy útil para aleaciones de metales no solubles en estado líquido

Las técnicas de la metalurgia de polvos, resultan en una manufactura más económica de las piezas. Donde las condiciones de carga no son severas, los engranajes pequeños, levas, palancas, catarinas y otras piezas de hierro, acero, latón o bronce pueden moldearse a partir de polvos, para reducir o eliminar completamente el alto costo y el tiempo de maquinado.

Aplicaciones

Los imanes de Alnico (hechos de aluminio, níquel, cobalto y hiero) pueden hacerse de polvos. Estos imanes pueden moldearse de los polvos directamente al tamaño y forma final y sus dimensiones mantener aceptables tolerancias durante el sinterizado.

Además, un tamaño de grano más fino y una resistencia mecánica mayor se obtiene en los imanes sinterizados. En la siguiente imagen pueden verse algunos ejemplos de imanes de Alnico (figura No. 9).

Aplicaciones

Fig. 9 Imanes de Alnico.

Aplicaciones

ACERO SISA-MET SISA-MET 3 es un tipo de acero para herramientas

para trabajo en frío, ultra tenaz, hecho de Metalurgia en polvo. Está diseñado para proporcionar una máxima resistencia a la fractura es un acero de alta resistencia al desgaste.

El acero SISA-MET 3 tiene una resistencia al impacto superior a los diferentes tipos de aceros como el (A2, D2, SISA-CR8 o SISA-MET M4) acercándose a los niveles del acero S7 y otros grados resistentes al choque. Al mismo tiempo proporciona una excelente resistencia al desgaste, alta dureza y estabilidad térmica para recubrimientos superficiales.

Aplicaciones

Puede reemplazar aceros para herramienta de alta aleación en aplicaciones de desgaste en donde se encuentran problemas crónicos de fractura.

La fabricación del acero SISA-MET utilizando la metalurgia en polvo produce un acero muy homogéneo y de calidad superior caracterizado por su alta tenacidad, buena estabilidad dimensional durante el tratamiento térmico y rectificabilidad superiores a las de los aceros producidos por medio de procesos convencionales.

Aplicaciones

AVNER Sydney, Introducción a la metalurgia física, 2da Edición.

MET%203%20de%20Metalurgia%20en%20Polvo%20(PM).pdf

BIBLIOGRAFIA

Metalurgia de Polvos

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