Tema IX
Pulvimetalurgia
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Tema IX Pulvimetalurgia |
Se define como el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos.
En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este
debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar.
Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los
polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas
finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus
propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la metalurgia
de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se
complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con
cobalto, tungsteno o grafito según para qué va a ser utilizado el material
que se fabrica.
El
metal en forma de polvo es más caro que en forma sólida y el proceso es sólo
recomendable para la producción en masa de los productos, en general el costo
de producción de piezas producto de polvo metálico es más alto que el de la
fundición, sin embargo es justificable y rentable por las propiedades
excepcionales que se obtienen con este procedimiento. Existen productos que no
pueden ser fabricados y otros no compiten por las tolerancias que se logran
con este método de fabricación.
El
proceso de manera general consiste en:
Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza
Mezclado de los metales participantes
Conformado de las piezas por medio de prensas
Sinterizado de las piezas
Tratamientos térmicos
Diagrama
para la producción de piezas por medio de polvos
producción
y caracterización de polvos
El
tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de
las piezas a producir, por lo que se debe tener especial cuidado en la forma
en la que se producen los polvos. Las principales características de los
polvos a considerar son:
Forma
Finura
Distribución
Capacidad para fluir
Propiedades químicas
Compresibilidad
Densidad
Densidad
Propiedades de sinterización
Forma
La
forma del polvo depende de la manera en la que se produjo el polvo, esta puede
ser esférica, quebrada, dendrítica. plana o angular.
Finura
La
finura se refiere al tamaño de la partícula, se mide por medio de mallas
normalizadas, las que consisten en cribas normalizadas, las que se encuentran
entre las 36 y 850 micras.
Distribución
de los tamaños de partículas
Se
refiere a las cantidades de los tamaños de las partículas que participan en
la composición de una pieza de polvo, esta distribución de tamaños tiene
gran influencia en la fluidez y densidad de las partículas y en la porosidad
final del producto.
Fluidez
Es
la propiedad que le permite fluir fácilmente de una parte a otra o a la
cavidad del molde. Se mide por una tasa de flujo a través de un orificio
normalizado.
Propiedades
químicas
Son
características de reacción ante diferentes elementos. También se
relacionan con la pureza del polvo utilizado.
Compresibilidad
Es
la relación que existe entre el volumen inicial del polvo utilizado y el
volumen final de la pieza comprimida. Esta propiedad varia considerablemente
en función del tamaño de las partículas de polvo y afecta directamente a
resistencia de las piezas.
Densidad
aparente
Se
expresa en kilogramos por metro cúbico. Esta debe ser constante siempre, para
que la pieza tenga en todas sus partes la misma cantidad de polvo.
Facilidad
de sinterización
La
sinterización es la unión de las partículas por medio del calor. Dependerá
del tipo de polvo que se esté utilizando, por lo que existen tantas
temperaturas de sinterización como materiales utilizados.
Todos
los metales pueden producirse en forma de polvo, sin embargo no todos 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 metalúrgicos 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 molido 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.
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 pulverización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en
aire o en agua. Es un excelente método para la producción de polvo de casi
todos los metales de bajo punto de fusión como el plomo, aluminio, zinc y
estaño.
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.
Polvos
recubiertos.
Los polvos pueden ser recubiertos con determinados elementos cuando pasan por
medio de un gas portador. Cada partícula es uniformemente revestida, cuando
se sinteriza adquiere las propiedades del recubrimiento. Esto permite el uso
de polvos más baratos.
Consiste
en la acción de comprimir al polvo que fluyó a un recipiente con la forma
deseada de la pieza a producir. Existen varios métodos de conformación, a
continuación se presentan algunos de ellos:
Prensado.
Los polvos se prensan en moldes de acero con la forma requerida, la presión
varía entre 20 y 1400 Mpa. Los polvos plásticos no requieren de altas
presiones, como los que son más duros. La mayoría de las prensas que fueron
diseñadas para otros fines pueden ser utilizadas para la producción de
piezas de polvo. Pueden utilizarse prensas hidráulicas sin embargo es más
común que se usen las mecánicas debido a su alta capacidad de producción.
Compactación
centrífuga. Los moldes se llenan con polvos metálicos pesados y luego se
centrifugan para obtener presiones de hasta 3 Mpa. Con lo anterior se obtienen
densidades uniformes producto de la fuerza centrífuga en cada partícula de
polvo. Posteriormente se extraen las piezas de los moldes y se sinterizan con
lo que adquieren su dureza final.
Conformación
por vaciado. Las piezas para tungsteno, molibdeno y otros polvos se hacen
algunas veces por compactación por vaciado. Este procedimiento consiste en
hacer una lechada con el polvo del metal que se va a utilizar, esta se vacía
en un molde de yeso. Como el molde de yeso es un material poroso drena
gradualmente dejando una capa sólida del material metálico. Después de
transcurrido el tiempo suficiente para tener una capa lo suficiente gruesa, se
sinterizan las piezas de manera normal. Para objetos huecos es muy útil este
procedimiento.
Para
la fabricación de piezas largas producidas a partir de polvos metálicos,
deben producirse a través del proceso de extrusión. Los métodos a utilizar
para este proceso dependen de las características del polvo; algunos se
extruyen en frío con un aglutinante y otros se calientan hasta la temperatura
de extrusión. Generalmente el polvo se comprime en forma de lingote y
posteriormente se calientan y sinterizan antes de pasarlos a la prensa para la
extrusión.
Compactado
por explosivos. Como su nombre lo indica la fuerza necesaria para compactar a
un polvo en su molde adecuado puede ser producto de una explosión. El
procedimiento es sencillo y económico sin embargo además de peligros puede
que su control no sea del todo satisfactorio.
Es
el proceso por medio del cual con el aumento de la temperatura, las partículas
de los cuerpos sólidos se unen por fuerzas atómicas. Con la aplicación de
calor, las partículas se prensan hasta su más mínimo contacto y la
efectividad de las reacciones a la tensión superficial se incrementan.
Durante el proceso la plasticidad de los granos se incrementa y se produce un
mejor entrelazamiento mecánico por la formación de un lecho fluido.
Cualquier gas presente que interfiera con la unión es expulsado. Las
temperaturas para el sinterizado son menores a la temperatura de fusión del
polvo principal en la mezcla utilizada.
Existe
una amplia gama de temperaturas de sinterizado, sin embargo las siguientes han
demostrado ser satisfactorias.
Hierro
1095 °C
Acero
inoxidable
1180
°C
Cobre
870 °C
Carburo
de tungsteno
1480
°C
El
tiempo de sinterizado varia entre los 20 y 40 minutos.
Ventajas
y limitaciones del proceso de producción por la metalurgia de los polvos
Ventajas
La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos
de capas moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso.
Porosidad 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
No se requieren operarios con alta capacitación
Limitaciones
Algunos
productos fabricados por este procedimiento
Filtros
metálicos
Carburos
cementados
Engranes
y rotores para bombas
Escobillas
para motores
Cojinetes
porosos
Magnetos
Contactos
eléctricos
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