Metalurgia de polvos
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La metalurgia de polvos implica producir polvos metálicos y usarlos para fabricar objetos. El proceso involucra compactar el polvo en una forma deseada y luego sinterizarlo a temperaturas inferiores al punto de fusión para unir las partículas. Los métodos comunes para producir polvos incluyen atomización, reducción de óxidos y depósito electrolítico, mientras que las técnicas de compactado son prensado, isostático y de alta energía. El sinterizado une las partículas a través de la dif
Metalurgia de polvos
- 2. La metalurgia de polvos se puede definir como el arte de producir polvos de metal y emplearlos para hacer objetos útiles. Los principios de la Metalurgia de polvos fueron aplicados desde el año 3000 A.C por los egipcios para hacer utensilios de hierro.
- 3. Las principales operaciones del proceso de polvo de metal so el compactado y el sinterizado. El compactado o presionado consiste en someter las mezclas de polvos adecuadamente preparadas, a temperatura normal o elevada, a presión considerable. El comprimido de polvo resultante se conoce como aglomerado y se dice, que en esta forma, es “verde”; puede manipularse pero es relativamente frágil. El sinterizado es una operación en la que los aglomerados verdes sometidos a calor, generalmente en una atmosfera inerte, a una temperatura inferior al punto de fusión del metal sólido. El sinterizado dará la resistencia mecánica como otras propiedades deseadas.
- 5. Hay una relación definitiva entre un método especifico de producción de polvo y las propiedades deseadas de los productos de Metalurgia de polvo. Se utilizan muchos métodos mecánicos y químicos con el fin de producir polvos para aplicaciones especificas, pero los métodos más importantes son la atomización, la reducción de óxidos y la depositación electrónica.
- 6. La atomización es el método utilizado mas frecuentemente para metales que tienen bajos puntos de fusión, como estaño, plomo, zinc, cadmio, y aluminio.
- 7. La reducción de los compuestos de los metales (generalmente óxidos) proporcionan un método conveniente, económico, flexible de producir polvos. El volumen mas grande de polvo metalúrgico se hace mediante el proceso de reducción de oxido. El método de depositación electrolítica es mas adecuado para producir polvos extremadamente puros, principalmente de cobre y hierro.
- 9. En todos los casos, el comportamiento del metal durante el procesamiento, así como las propiedades del producto terminado, dependen en mucho de las características básicas del material del polvo. Aparte de la composición química y la pureza, las características básicas de un polvo de metal son el tamaño de la partícula y la distribución del tamaño, la forma de la partícula, la densidad aparente y la micro estructura de la partícula.
- 10. Los polvos de metal pueden subdividirse en intervalos de tamaño de tamiz y subtamiz. Aquellos que pertenecen a la clase de tamaño tamiz se designan generalmente de acuerdo con la malla más fina a través de la cual pasara todo el polvo. Si todo el polvo pasa a través de una malla numero 200, se designa como un polvo menos numero 200, etc. Todos los polvos de tamaño subtamiz pasan a través de una malla numero 325 utilizada en la practica. El tamaño de estos polvos se puede especificar promediando las dimensiones reales determinadas por examen microscópico. La distribución del tamaño de la partícula es importante en el empaque del polvo e influirá e su comprtamiento durante el modelado y el sinterizado.
- 11. La combinación y el mezclamiento propios de los polvos son esenciales para la uniformidad del producto terminado. La distribución del tamaño de la partícula deseada se obtiene combinando de antemano los diferentes tipos de polvos utilizados. Los polvos de aleación, los lubricantes y los agentes de volatización para dar una cantidad de porosidad deseada se agregan a los polvos combinados en mezclamiento.
- 12. La operación más importante en la Metalurgia de polvos es el compactado o presionado. La mayor parte del compactado se hace en frio, aunque hay algunas aplicaciones para las cuales los comprimidos se presionan en caliente. El propósito del compactado es consolidar el polvo en al forma deseada y tan cerca como sea posible a las dimensiones finales, teniendo en cuenta cualquier cambio dimensional que resulte del sinterizado; el compactado se ha diseñado también para impartir el nivel y tipo de porosidad deseado y proporcionar una adecuada resistencia para la manipulacion.
- 13. Las técnicas de compactado pueden clasificarse en dos tipos: a) técnicas de presión, como troquel, isostática, formado de alta energía-rapidez, forjado, extrusión, vibratoria y continua, y b) técnicas sin presión, como de suspensión, gravedad y continua.
- 14. El compactado por troquel es el método más ampliamente utilizado. La secuencia usual de operaciones en el compactado por troquel 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 expulsion del comprimido verde por el accionar del punzon inferior.
- 16. En el compactado isostático, la presión se aplica simultáneamente e igualmente en todas direcciones. El polvo se coloca en un molde de hule que se sumerge en un baño liquido dentro de un recipiente de presión, de manera que el fluido pueda sujetarse a presiones altas. Como la presión se aplica uniformemente, es posible obtener una densidad verde muy uniforme y un alto grado de uniformidad en las propiedades mecánicas. Este método se ha utilizado más extensamente para materiales cerámicos que para metales.
- 17. Las técnicas de alta energía y rapidez pueden ser mecánicas, neumáticas o explosivas o mediante descarga por chispa aplicados en un troquel cerrado. La ventaja de estos es el corto tiempo y las presiones que se pueden obtener; también es posible utilizar polvos de grado inferior y muy baratos, y algunas piezas, debido a la resistencia incrementada de los comprimidos verdes se pueden emplear sin sinterizado subsecuente. Entre las desventajas están el gran desgaste del punzón superior y el del troquel, las tolerancias limitadas y el alto costo.
- 18. Las técnicas de forja y de extracción se han utilizado solo en una extensión limitada. En cualquier caso, el polvo se “enlata” o coloca en alguna clase de recipiente de metal. El recipiente sellado se calienta o evacua y luego se forja o se extrae. Después de forjar o extruir , el material recipiente se elimina mecánicamente o químicamente. Ambas técnicas dan comprimidos de densidad extremadamente alta y por lo general no requieran sinterizado.
- 20. En el compactado vibratorio, se aplican presión y vibración simultáneamente a una masa de polvo en un troquel rígido. Comparado con el compactado ordinario por el troquel, este método permite utilizar presiones mucho menores para lograr cierto niveles de densificación. Uno de los principales problemas es el diseño de equipo para aplicar la vibración a herramental y prensa practicas.
- 21. El compactado continuo se aplica principalmente para cuerpos de formas simples, como varillas, laminas, tubos y placas . La mayoría de las técnicas comerciales incluyen el flujo de polvo suelto entre un conjunto de rodillos verticalmente orientados. La separación de los rodillos se ajusta para dar un comprimido de propiedades deseadas. En general, la velocidad de rolado del polvo es mucho menor que la de las operaciones convencionales de rolado.
- 22. El proceso de “deslizamiento” se emplea mucho para cerámicos, pero solo en limitada extensión para metales. El proceso consiste en preparar primero un “patín” que contiene el polvo suspendido en un vehículo liquido y aditivos para evitar el asentamiento de las partículas. El patín luego se coloca en un molde hecho de material absorbente de fluidos (como sulfato de cal) para dar forma a la pieza. Esta técnica es conveniente para materiales relativamente incompresibles por el compactado convencional por troquel, pero el proceso no se presta a altos volúmenes de producción debido al largo tiempo requerido para que el liquido se elimine a través de la porosidad del molde.
- 24. En le compactado por gravedad, el troquel se llena con polvo que luego se sinteriza en él. El troquel se hace generalmente de un material (como grafito). Como no se utiliza presión, las piezas suelen ser mas porosas. Comercialmente, este método se utiliza para la producción de filtros M/P. El compactado sin presión se emplea para producir laminas porosas para electrodos en baterías de níquel-cadmio recargables. El polvo puede aplicarse en forma de una suspensión espesa (similar a la del proceso de deslizamiento) para ser revestida sobre una rejilla de metal o una lamina solida de metal con el fin de producir compuestos fuera de lo común.
- 25. El proceso de sinterizado se efectúa generalmente a una temperatura inferior a la del constituyente de más alto punto de fusión. En algunos casos, la temperatura es suficientemente alta para formar un constituyente liquido, como en la manufactura de carburos cementados, en que el sinterizado se hace por encima del punto de fusión del metal cementador.
- 26. Los hornos de sinterizado pueden ser del tipo de resistencia eléctrica o del tipo de encendido por gas o por petróleo. Es necesario controlar estrechamente la temperatura para minimizar las variaciones en dimensiones finales. La temperatura muy uniforme y precisa del eléctrico lo hace mas adecuado para este tipo de trabajo. El sinterizado es esencialmente un proceso de enlazar cuerpos sólidos por fuerzas atómicas. Las fuerzas de sinterizado tienden con le aumento de temperatura , pero todas las obstrucciones al sinterizado (como el contacto superficial incompleto, la presencia de películas superficiales y la falta de plasticidad) disminuirán más rápidamente con el aumento de temperatura.
- 27. Por tanto, las temperaturas elevadas tienden a favorecer el proceso de sinterizado. Cuanto mayor sea el tiempo de calentamiento o la temperatura, mayores serán el enlace entre la partícula y la resistencia tensil resultante. A pesar del trabajo experimental y teórico los aspectos fundamentales del sinterizado, todavía hay mucho del proceso que no se entiende. El proceso de sinterizado empieza con el enlace entre las articulas conforme el material se calienta. El enlace incluye la difusión de átomos donde hay contacto intimo entre partículas adyacentes que dan lugar al desarrollo de fronteras de grano. Esta etapa origina un incremento en resistencia y dureza relativamente grande, aun después, de breves exposiciones a elevada temperatura.
- 28. •Filtros metálicos •Carburos cementados •Engranes y rotores para bombas •Escobillas para motores •Cojinetes porosos •Magnetos •Contactos eléctricos