Metalurgia de Polvos (Prensado y Sinterizado)

3 PRENSADO CONVENCIONAL Y SINTERIZADO

Después de la producción de polvos metálicos, la secuencia

convencional de la metalurgia de polvos consiste en tres

pasos: 1) combinación de los polvos, 2) compactación en la

cual se prensan los polvos para obtener la forma deseada; y

3) sinterizado que implica calentamiento a una temperatura

por debajo del punto de fusión para provoca la unión de las

partículas en estado sólido y el fortalecimiento de la

parte. Estos tres pasos que algunas veces se aluden como

operaciones primarias de la metalurgia de polvos se

ilustran en la figura 7. En ocasiones también ejecutan

operaciones secundarias destinada; a mejorar la precisión

dimensional, incrementar densidad y para otros propósitos.

3.1 Mezclado y combinación de polvos

Para lograr buenos resultados en la compactación y el

sinterizado, los polvos metálicos necesitan de

homogeneizarse perfectamente antes del proceso. Los

términos mezclado y combinación se usan e1 este contexto.

El mezclado se refiere a la mezcla de polvos de la misma

composición química, pero posiblemente con diferentes

tamaños de partícula. La combinación se refiere a la mezcla

de polvos de diferente composición química. Una ventaja de

esta tecnología es la oportunidad de combinar.

FIGURA 7 Secuencia convencional de producción en metalurgia de polvos:

(1) mezclado, (2) compactado y (3) sinterizado; en (a) se muestra a

condición de las partículas, mientras que en (b) se muestran las

operaciones y la parte durante la secuencia

FIGURA 8 Varios dispositivos de mezclado y combinación: (a) tambor

rotatorio, (b) doble cono rotatorio, (c) mezclador de tornillo y (d)

mezclador de paletas

Varios metales en aleaciones que sería difícil o imposible

producir por otros medios. La distinción entre mezclado y

combinación no siempre es precisa en la práctica

industrial.

El mezclado y la combinación se realizan por medios

mecánicos. Algunas alternativas se ilustran en la figura 8,

éstas son: (a) por rotación en tambor, (b) por rotación en

un recipiente de cono doble, (c) por agitación en un

mezclador de tornillo y (d) por agitación en un mezclador

de paletas.

En estos dispositivos hay más ciencia de la que se puede

sospechar. Lo mejores resultados se obtienen cuando se

llenan entre un 20% y un 40%. Los recipientes se diseñan

generalmente con bafles internos u otras formas para

impedir la caída libre durante el mezclado de polvos de

diferentes tamaños, debido a que en las variaciones de

asentamiento de los diferentes tamaños genera segregación,

precisamente lo contrario de lo busca en el mezclado. No es

conveniente que los polvos se sometan a vibración, ya que

esto también produce segregación.

Generalmente se añaden otros ingredientes a los polvos

metálicos durante el paso de mezclado o combinación. Estos

aditivos son: 1) lubricantes, como el estearato de zinc y

el aluminio en pequeñas cantidades para reducir la fricción

entre las partículas y en las paredes del dado durante la

compactación; 2) aglutinantes, que se requieren en algunos

casos para lograr una resistencia adecuada en las partes

prensadas pero no sinterizadas; y 3) desfloculantes, que

inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus

características de flujo durante la alimentación.

3.2 Compactación

En la compactación se aplica alta presión a los polvos para

darles la forma requerida. El método convencional de

compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos

aprietan el polvo contenido en un dado. Los pasos en el

ciclo de prensado se muestran en la figura 9.

A la parte después de prensada se le llama compacto verde,

el término verde significa que la parte no está

completamente procesada. Como resultado del prensado, la

densidad de la parte, llamada densidad verde, es mucho más

grande que la densidad volumétrica inicial. La resistencia

verde de la parte cuando es prensada es adecuada para el

manejo, pero mucho menor que la que se logra después del

sinterizado.

La presión que se aplica en la compactación produce

inicialmente un reempacado de los polvos en un arreglo más

eficiente, elimina los puentes que se forman durante el

llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el

número de puntos de contacto entre las partículas.

Al incrementarse la presión, las partículas se deforman

plásticamente, ocasionando que el área de contacto

interparticular aumente y entren en contacto partículas

adicionales. Esto viene acompañado de una reducción

posterior del volumen de los poros. La progresión se

ilustra en la figura 10 para partículas iníciales de forma

esférica. También se muestra la densidad asociada,

representada para las tres vistas como una función de la

presión aplicada.

FIGURA 9 Prensado, método convencional de compactación de polvos

metálicos en metalurgia de polvos: (1) llenado de la cavidad del molde

con polvos, por alimentación automática en la producción; (2) posición

inicial, (3) final de los punzones durante la compactación y (4)

remoción de la parte

FIGURA 10 (a) Efecto de la presión aplicada durante la

compactación:(1) polvos sueltos iníciales después del llenado, (2)

reempacado y (3) d formación de las partículas; y (b) densidad de los

polvos en función de la presión. 1ª secuencia corresponde a los pasos

(1), (2) y (3) de la figura 9

Las prensas usadas en la compactación convencional en la

metalurgia de polvos son mecánicas, hidráulicas o una

combinación de las dos. En la figura 11 se muestra una

unidad hidráulica de 50 toneladas. Debido a diferencias en

la complejidad de las partes asociadas a los requerimientos

de prensado, las prensas se pueden clasificar en 1)

prensado en una dirección, con prensas de acción simple; o

2) prensado en dos direcciones, con prensas de varios

tipos, incluyendo las de punzones opuestos, de doble acción

o de múltiple acción. La tecnología de las prensas

comúnmente

FIGURA 11 Prensa hidráulica de 50 ton para compactación de componentes

de metalurgia de polvos. Esta prensa tiene la capacidad de actuar en

niveles múltiples para producir piezas de formas complejas en

metalurgia de polvos.

disponibles puede suministrar hasta diez acciones de

control separadas para producir partes de forma bastante

compleja. Examinaremos la complejidad de las partes y otros

aspectos de diseño en la sección 6.

La capacidad de una prensa para producción en PM se da

generalmente en toneladas, o kN o MN. La fuerza requerida

para el prensado depende del área proyectada de la parte

(área en el plano horizontal para una prensa vertical)

multiplicada por la presión necesaria para compactar los

polvos del metal dado. Expresando esto en forma de

ecuación,

F = APPC. (8)

donde F = fuerza requerida, lb (N); A = área proyectada de

la parte, pulg2 (mm2); y PC, = presión de compactación

requerida para el materia del polvo dado, lb/pulg2 (MPa).

Las presiones típicas de compactación fluctúan entre 10 000

lb/pulg2, (70 MPa) para polvos de aluminio y 100 000

lb/pulg2 (700 MPa) para polvos de hierro y acero.

3.3 Sinterizado

Después de prensado, el compactado verde carece de fuerza y

resistencia, se desmorona fácilmente, al menor esfuerzo. El

sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se

ejecuta sobre compactado para unir sus partículas

metálicas, incrementando de esta manera su fuerza y

resistencia. El tratamiento se del metal (en la escala

absoluta). El término sinterizado en estado sólido o

sinterizado en fase sólida se usa algunas veces para este

sinterizado convencional debido a que el metal permanece

sin fundir a la temperatura del tratamiento.

En opinión de los investigadores, la fuerza básica que

mueve al sinterizado es la reducción la energía

superficial. El compactado verde consiste en muchas

partículas distintas que tienen su propia superficie, por

tanto, la superficie total del área contenida en el

compactado es m afta. Bajo la influencia del calor, el área

se reduce por la formación y crecimiento de las uniones

entre las partículas, esto implica la reducción de la

energía superficial. Mientras más fino sea el polvo inicial

más alta será la superficie del área total y más grande la

fuerza que mueve al proceso

La serie de dibujos en la figura 12 muestra en escala

microscópica los cambios que ocurren durante el sinterizado

de los polvos metálicos. El sinterizado implica transporte

de masa para crear los cuellos y transformarlos en límites

de grano. El principal mecanismo para que esto ocurra es la

difusión; otro posible mecanismo es el tico. La contracción

ocurre durante el sinterizado como resultado de la

reducción del tamaño de los poros. Esto depende en gran

medida de densidad del compactado verde, y ésta a su ve de

la presión durante la compactación. Cuándo 1 condiciones

del procesamiento se controlan estrechamente, la

contracción generalmente es predecible.

Dado que las aplicaciones de la PM involucran generalmente

producciones medianas o altas la mayoría de los hornos de

sinterizado se diseñan con dispositivos mecanizados para el

traslado de las partes de trabajo durante el proceso. El

tratamiento térmico consiste en tres pasos realizad en tres

cámaras de hornos continuos: 1) precalentado, en el cual se

queman los lubricantes y aglutinante, 2) sinterizado y 3)

enfriado. El tratamiento se ilustra en la figura 13. Las

temperaturas típicas y los tiempos de sinterizado se dan en

la tabla 1 para metales seleccionados.

En la práctica moderna del sinterizado se controla la

atmósfera del horno. Los propósitos la atmósfera controlada

son: 1) proteger de la oxidación, 2) proporcionar una

atmósfera reductora para remover los óxidos existentes, 3)

suministrar una atmósfera carburizadora y 4) ayudar a

remoción de los lubricantes y aglutinantes que se usan en

el prensado. Las atmósferas de los hornos de sinterizado

comunes son: de gas inerte, basadas en nitrógeno, de

amoniaco disociado, de hidrogeno y basadas en gas natural .

Las atmósferas al vacío se usan para ciertos metales como

los aceros inoxidables y el tungsteno.

FIGURA 12 Sinterizado a escala microscópica: (1) la unión de las

partículas se inicia en los puntos d contacto, (2) los puntos de

contacto crecen para convertirse en “cuellos”, (3) los poros entre las

partículas reducen su tamaño y (4) se desarrollan límites de grano

entre las partículas, en las regiones donde habla cuellos

FIGURA 13 (a) Ciclo típico de tratamiento térmico durante el

sinterizado y (b) sección transversal esquemática de un horno continuo

de sinterizado

TABLA 1 Temperaturas típicas y tiempos de sinterizados de

metales seleccionados.

Temperaturas de sinterizado

Metal °F °C Tiempo (mm)

Latón 1600 (850) 25

Bronce 1500 (820) 15

Cobre 1600 (850) 25

Hierro 2000 (1100) 30

Acero inoxidable 2200 (1200) 45

Tungsteno 4200 (2300) 480

3.4 Operaciones secundarias

Las funciones de las operaciones secundarias son varias,

incluyendo la densificación, el dimensionamiento la

impregnación, la infiltración, el tratamiento térmico y el

acabado.

Densificación y dimensionamiento Numerosas operaciones

secundarias se ejecutan para aumentar la densidad y mejorar

la precisión, o para lograr formas adicionales en las

partes sinterizadas. El represando es una operación de

prensado en la cual se aprieta la parte en un dado cerrado

para aumentar la densidad y mejorar las propiedades

físicas. El dimensionamiento es la compresión de una parte

sinterizada para mejorar su precisión dimensional. El

acuñado es una operación de prensado sobre una parte

sinterizada para imprimir detalles en su superficie.

Algunas partes sinterizadas requieran un maquinado

posterior. Rara vez se utiliza el maquinado para

dimensionar las partes, más bien se usa para crear

características geométricas que no pueden lograr por

prensado, como son cuerdas internas o externas,

perforaciones laterales y otros detalles.

Impregnación e infiltración

La porosidad es una característica inherente a la

tecnología de metalurgia de polvos. Ésta se puede

aprovechar para crear productos especiales, llenando el

espacio disponible en los poros con aceite, polímeros o

metales que tienen un punto de fusión m bajo que la base

del metal en polvo.

Impregnación es el término que se usa cuando se introduce

aceite u otro fluido dentro de los poros de una parte

sinterizada. Los productos más comunes de este proceso son

los rodamientos impregnados con aceite; los engranes y

componentes similares de maquinaria. Los rodamientos aun

lubricados, fabricados usualmente de bronce o hierro con 10

a 30% de aceité en volumen, se as ampliamente en la

industria automotriz. Los tratamientos se realizan mediante

inmersión de las par sinterizadas en un baño de aceite

caliente.

La infiltración es una operación en la cual se llenan los

poros de las partes de PM con un metal fundido. El punto de

fusión del metal de relleno debe ser menor que el de la

parte. El proceso implica calentar el metal de relleno en

contacto con el componente sinterizado de manera que 1

acción de capilaridad haga fluir al relleno dentro de los

poros. La estructura resultante es relativamente no porosa

y la parte infiltrada tiene una densidad más uniforme, así

como una tenacidad resistencia mejorada. Una aplicación de

este proceso es la infiltración con cobre de las partes de

hierro sinterizado.

Tratamiento térmico y acabado

Los componentes de polvos metálicos pueden tratarse

térmicamente y terminarse (electrodepositación o pintura)

por la mayoría de las operaciones que se usan en la partes

fabricadas por fundición y otros procesos de trabajo de

metales. Los mismo tratamientos térmicos se usan (capítulo

8) para endurecer y hacer más resistentes las parte Debido

a la porosidad de las partes sinterizadas, se debe tener

cuidado con algunos de esto; tratamientos, por ejemplo, no

deben usarse los baños de sales para calentar .estas

partes.

Se pueden aplicar a las partes sinterizadas operaciones de

chapeado y recubrimiento con fines de apariencia y

resistencia a la corrosión. Se debe tener cuidado para

evitar que la soluciones químicas queden atrapadas en los

poros, frecuentemente se usan la impregnación y 1

infiltración para este propósito. Los chapeados comunes

para partes sinterizadas incluyen cobre níquel, cromo, zinc

y cadmio.