1TECNOLOGA DE MATERIALESTEMA 2

PROCESOS DE CONFORMADO EN METALESPULVIMETALURGIA

CARACTERIZACIN DE POLVOSCOMPACTACINSINTERIZACIN

2PULVIMETALURGIA (metalurgia de polvos)Es una tecnologa de procesamiento de metales en la que se producen piezas apartir de polvos metlicos, no metlicos o mezclas de ambos, sin fundir y utilizando presin y calor.

PRODUCCION DEL POLVO

ACONDICIONAMIENTO DEL POLVO

CONSOLIDACION DEL POLVO

OPERACIONES SECUNDARIAS

PIEZA FINAL

Slido dividido en partculas finas

MecnicosQumicos

MezcladoCombinacin

CompactacinSinterizacin

MecanizadoEndurecido

3VENTAJAS

Obtencin de productos muy homogneos y con gran precisin dimensional.

Operaciones de mecanizado mnimas.

Poco material desperdiciado. La materia prima se usa de un modo muy eficiente: 97% del material inicial se convierte en producto.

Gran control de la composicin y de la porosidad (produccin de piezas como rodamientos impregnables con aceite) del producto final.

Mejora de propiedades respecto a otros mtodos de fabricacin a travs del control de la microestructura.

4INCONVENIENTES

Alto costo del equipo.Alto costo de la materia prima.Dificultades en el almacenamiento y manejo de los polvos metlicos (degradacin fcil).Limitaciones en la forma de las piezas debido a que los polvos metlicos no fluyen con facilidad en direccin lateral dentro del molde durante la etapa de prensado.A veces se producen variaciones de densidad en el producto final.La mayor parte de las piezas que se producen son menores de 2,2 kg.

5PRODUCTOS Y APLICACIONES:

-Cojinetes porosos: pueden ser rellenados con aceite y no necesitan posterior lubricacin. Suelen ser de bronce (Cu-Sn).-Cojinetes no porosos: Cu-Pb, Cu-Sn-Pbsobre base de acero.-Filtros: Cu, Ni, bronce, acero. Se usan para filtrar aceites y gasolinas.

-Materiales antifriccin: uso en condiciones extremas (frenos avin, embragues maquinaria pesada,...). Formados por matriz metlica y dispersin de otros materiales no metlicos como la slice.-Materiales de alta dureza: formados por una fase dura (diamante, carburos, nitruros) y aglomerados con un metal. Resistentes al desgaste y al impacto.-Componentes elctricos y magnticos: compuestos de varios metales (Ag o Cu con W, Mo o Ni); contactos elctricos; Al-Ni-Co, Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co; imanes permanentes, ncleos de solenoides.

6COJINETES POROSOS AUTOLUBRICANTES

El aceite se almacena en los poros de la pieza. Cuando el eje sobre el cual se apoya el cojinete gira, la temperatura se eleva y el cojinete proporciona lubricante. Cuando el eje se detiene y desciende la temperatura, el aceite se reabsorbe por accin capilar.

7Porosidad superior a 25-30% imposible de obtener

por otro proceso

Cojinetes autolubricantesFiltros metlicos

Metales porosos

Introduccin del metal con baja T de fusin difcil.

Gran diferencia de densidades en estado lquido: segregacin

Contactos elctricos: W o Mo+Cu o Ag

Aleaciones de metales con T de fusin muy diferentes

Carburos se descomponen en estado lquido.Gran diferencia de

densidades en estado lquido: segregacin

WC-Co; diamantesHerramientas de corte

Alabes de turbina

Materiales compuestos de matriz metlica

T fusin muy elevada para que fusin sea realizable a

nivel industrial

W, Mo, Ta, NbFilamentos lmparasResistencia elctrica

Metales refractarios dctiles

RazonesMetalesTipo

MATERIALES METLICOS QUE SLO PUEDEN SER FABRICADOS POR PULVIMETALURGIA

8PRODUCCION DE POLVOS METALICOS

1. Atomizacin2. Mtodos qumicos3. Mtodos electrolticos4. Mtodos mecnicos

Para la obtencin de polvos metlicos se utilizan fundamentalmente 4 mtodos:

La eleccin de unos u otros depende de su viabilidad, de las caractersticas finales deseadas (pureza y morfologa) y del coste.

9ATOMIZACINUn metal fundido se transforma en una nube de pequeas gotas, utilizando una corriente de gas (aire, nitrgeno o argn) o de agua a alta velocidad, que se solidifican formando polvos antes de entrar en contacto entre s.

Material fundido

Variante:atomizacin centrfuga. Metal fundido cae sobre disco que gira a gran velocidad

El tamao de partculadepende de la velocidad de la corriente de gas o lquido: mayor velocidad, menor tamao.

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MTODOS QUMICOS

Reduccin qumica: permite obtener materias puras y no polvos aleados.

compuesto metlico+agente reductor (H2, CO) metal

Precursor organometlico, descomposicin trmica:Fe(CO)5 Fe

descomposicin

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MTODOS ELECTROLTICOScompuesto metlico metal

corriente elctrica

corriente elctrica

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MTODOS MECNICOS

Permiten reducir el tamao de los polvos metlicos.El ms conocido:Proceso Coldstream: Consiste en lanzar polvos fluidificados con aire (atomizacin) y previamente acelerados contra una pared de un material de alta dureza (trituracin).

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CARACTERIZACION DE LOS POLVOSEtapa muy importante ya que el xito de los procesos pulvimetalrgicos depende en gran parte de las caractersticas de los polvos iniciales.

CARACTERISTICAS GEOMTRICAS-Tamao de partculas y distribucin.-Forma y estructura interna.

OTRAS CARACTERISTICAS-Friccin interparticular y caractersticas de flujo: Importantes para el posterior tratamiento de los polvos.

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TAMAO DE PARTCULAS Y DISTRIBUCIN

Tamao: dimensiones de los polvos individuales.Distribucin: n de partculas de cada tamao.

MTODOS DE MEDICINCribado: se hacen pasar las partculas a travs de cribas de diferentes tamaos (clasificacin). Las cribas estn constituidas por mallas que se caracterizan por el llamado nmero de malla: n de aberturas /cm.

A MAYOR n de malla, MENOR tamao de partcula.

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Ejemplo de clasificacin: tamao de polvo 230 por 200 las partculas han pasado por la malla 200, pero no por la 230.

El tamao de partcula se calcula:

PS=(1/MC)-tw

Donde:

PS=tamao (dimensin limitante) de partcula MC=n de malla tw=grueso alambre malla

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MICROSCOPAptica: partculas mayores de 1 micraElectrnica:

SEM: partculas mayores de 0,05 micrasTEM: partculas entre 0,001 y 1 micra

Microscopa ptica de partculas de bainita: partculas de Fe3C en matriz de -Fe TEM de nanopartculas de Pt

SEM de capa fina de diamante

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FORMA Y ESTRUCTURA INTERNAAmbas caractersticas se encuentran relacionadas con el proceso de fabricacin.

esfrica cilndrica acicular cbica agregada

Formas ideales posibles de partculas

Estructura interna: existencia de poros abiertos (espacios vacos entre partculas) y cerrados (espacios vacos en una partcula)

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PorosaReduccin de xidos

DendrticaMtodos electrolticos

AngularAtomizacin agua o aireMolienda

EsfricaRedondeada

Descomposicin carbonilosAtomizacin gas inerte

FormaMtodo produccin

RELACIN ENTRE LA FORMA DE LAS PARTCULAS Y EL PROCESO DE FABRICACIN

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FRICCIN INTERPARTICULAR Y CARACTERSTICAS DE FLUJOLa friccin interparticular afecta a la disposicin del polvo a fluir fcilmente y a compactarse firmemente. Se mide mediante el llamado ngulo de reposo, ngulo formado por un montn de polvo cuando ste se vaca a travs de un embudo. Los ngulos ms grandes indican mayor friccin (generalmente, asociado a tamaos de partculas ms pequeas).

embudo

ngulo de reposo

montn de polvo

Las caractersticas de flujo se calculan midiendo el tiempo requerido para que una cierta cantidad de polvo fluya a travs de un embudo estndar. Los tiempos menores de flujo indican mayor facilidad de flujo y menor friccin interparticular.

Interesa: friccin interparticular pequea, gran facilidad de flujo

se usan aditivos (lubricantes)+ Friccin -

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ACONDICIONAMIENTO DEL POLVOMezclado y combinacin: se llevan a cabo para lograr la homogeneizacin de los polvos antes de la etapa posterior de consolidacin: densidades homogneas y friccin interparticular pequea.

Mezclado: mezcla de polvos de la misma composicin qumica pero con diferente tamao de partcula.Combinacin: mezcla de polvos de diferente composicin qumica. (aleacin). Adicin de otros ingredientes tales como lubricantes (reducen friccin entre partculas), aglutinantes (aportan resistencia) y desfloculantes (inhiben la aglomeracin de los polvos).

mezcladora

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CONSOLIDACION DEL POLVOLos procesos de consolidacin son muy variados. Se suelen clasificar en funcin de la temperatura a la que se llevan a cabo:

CONSOLIDACION EN FRIO CONSOLIDACION EN CALIENTE

SIN APLICACIN PRESION

CON APLICACIN PRESION: COMPACTACION

COMPACTACION CONTINUA

COMPACTACION DISCONTINUA

COMPRESION EN CALIENTE

HIP METODOS ALTERNATIVOS

AL HIP

CERACONROCSTAMPEn matriz

IsostticaExplosivosForjaInyeccin-PIM

LaminadoExtrusin

Slip CastingConsolidacin por gravedad

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CONSOLIDACIN EN FROObjetivo.

Transformar el polvo en una pieza con una forma determinada por el molde y los pistones donde se compactan los polvos, una densidad determinada y una resistencia mnima para poder manipular posteriormente la pieza.Se alcanza una alta exactitud dimensional y una alta calidad superficial. Se eliminan posteriores etapas de mecanizado.El material, despus de prensado se llama compacto verde (significa que no estcompletamente procesado).

Resultados de esta operacin. Reduccin de poros. Incremento del n de puntos de contacto entre las partculas. Aumento de la densidad del material.

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Llenado por gravedad con una determinada cantidad de polvo la cavidad de un molde, sobre la cual se ejerce una determinada presin.

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COMPACTACIN UNIAXIAL EN MATRIZ.

Al ser la presin uniaxial y debido a las fuerzas de friccin entre los polvos y las paredes de la matriz, se produce una progresiva reduccin de la presin transmitida y de la densidad obtenida a lo largo del espesor de la pieza. Este efecto se hace ms importante para piezas ms largas, y este es uno de los factores que limitan el tamao de la pieza desde un punto de vista econmico (reas: 0,02-4 mm2; longitudes: 0,8-150 mm).

equivalentes

Mejorar distribucin densidades

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COMPACTACIN ISOSTTICA EN FROEs una tcnica que se basa en el principio de Pascal: una presin aplicada a un fluido en reposo se transmite con igual intensidad en todas direcciones. El mtodo consiste en introducir los polvos en un molde flexible que se sumerge en un lquido que es sometido a alta presin. La presin es igual en todas las direcciones y se obtiene una compactacin uniforme de los polvos (densidad uniforme).

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COMPACTACIN POR GRAVEDAD

Es una tcnica que se utiliza para obtener filtros y materiales porosos sin consumo de energa.

Los polvos rellenan un molde por gravedad y el conjunto polvos-molde se introduce en un horno para su sinterizacin posterior.

F=mg

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SLIP CASTINGSe utiliza principalmente para polvos cermicos.Una suspensin con el polvo metlico o cermico (slip) rellena un molde poroso. Parte del lquido es absorbido por el molde y una pelcula de material semiduro se forma en la superficie del molde.El resto de la suspensin se extrae y el molde se precalienta para secar el material que ha quedado en el molde.Se desmoldea y se sinteriza.

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COMPACTACIN POR EXPLOSIVOSMtodo que utiliza energa para compactar el material.El pistn que compacta los polvos es acelerado por la accin de un material explosivo.Se obtienen densidades muy elevadas (muy buena compactacin).Generalmente no es preciso sinterizar posteriormente.

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LAMINACIN El polvo se deposita en una banda de laminacin y se compacta

entre rodillos. La banda obtenida se introduce en un horno y se sinteriza. Posteriormente se relamina.

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FORJASe utiliza principalmente para polvos cermicos.Los polvos se comprime a una forma simple llamada preforma (no tiene la forma final de la pieza).La preforma es sinterizada y forjada en caliente hasta la forma y tamao final.

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EXTRUSINSe aplica una fuerza unidireccional y se hace fluir el polvo a travs de una matriz.

Se obtiene una preforma que posteriormente es sinterizada.

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MOLDEO POR INYECCIN DE POLVOS (PIM):Los polvos metlicos se mezclan con un aglomerante (para hacer ms fluido el polvo metlico), que puede ser un polmero, un gel o algn material inorgnico. Se obtiene una masa plstica.Se forman grnulos metlicos (pellets).

Los pellets se calientan a la temperatura de moldeo, se inyectan en un molde, se enfra la pieza y se retira el molde.La pieza se trata (trmicamente o con disolventes adecuados) para eliminar el aglomerante.La pieza se sinteriza.Operaciones secundarias.

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CONSOLIDACIN EN CALIENTEOBJETIVO

Aumentar la ductilidad del metal dentro del molde para as poder compactar los polvos a mayores densidades sin aumentar la presin. Se suelen utilizar temperaturas de la mitad de la temperatura de fusin del polvo metlico. Los moldes empleados deben soportar las temperaturas de procesado. En algunos casos se consigue la sinterizacin de la pieza.

COMPACTACIN UNIAXIAL EN MATRIZPRENSADO ISOSTTICO EN CALIENTE (HIP)

Proceso CERACON. Consisten en cargar cermicas granuladas y calentadas en la matriz y que rodeen al molde, de modo que al compactar uniaxialmente, la cermica caliente acte como un medio de transmisin casi isosttico de la presin.

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CERACON

pistn

cermica

pieza

HIP

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Proceso ROC. Emplea un molde de un material que es fcilmente deformable a la temperatura de compactacin. El molde y los polvos se introducen en una matriz cerrada y se calientan a una temperatura determinada, aplicndose con un pistn la presin, que se transmite en todas las direcciones, dado que el molde est en estado lquido.

Proceso STAMP. El polvo es introducido en un molde, sometido a vaco y sellado. Se calienta hasta 1100C, se transfiere a una prensa hidrulica para su compactacin alta presin.

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SINTERIZACINEs una operacin de tratamiento trmico en atmsfera controlada (vaco, H2, N2, CO2,...) que se realiza sobre el compacto verde para unir sus partculas e incrementar su fuerza y resistencia. Si se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la temperatura de fusin (0,7-0,9 de la temperatura de fusin): sinterizado en fase slida. Si algunos de los componentes del compacto verde tiene un punto de fusin por debajo de la temperatura de sinterizado: sinterizado en fase lquida.

Efecto temperatura

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ETAPAS DE LA SINTERIZACIN1. Precalentado: se queman los aglutinantes y lubricantes.2. Sinterizado3. Enfriado

4802300W

301100Fe

25850Cu

Tiempo (m)

T (C)Metal

Tratamientos tpicos de sinterizacin

El control microestructural del sinterizado se logra mediante el control de la temperatura mxima de calentamiento, la velocidad de calentamiento y enfriamiento y la atmsfera de sinterizacin.

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OPERACIONES SECUNDARIASDensificacin: aumento de densidad, eliminacin de defectos y porosidad. Mejora de la resistencia.

-Reprensado: la pieza se aprieta en un troquel a temperatura ambiente o en caliente.-Dimensionamiento: la pieza se comprime para mejorar su precisin dimensional.-Acuado: prensado para imprimir detalles en superficie de pieza.

Mecanizado: creacin de caractersticas geomtricas que no se pueden lograr mediante la compactacin.

Impregnacin e infiltracin: llenado de los poros con aceite o polmeros (impregnacin) y metales (infiltracin) para crear materiales ms resistentes y tenaces.

acuado mecanizado (taladrado)

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Tratamiento trmico y acabado: permiten mejorar las propiedades mecnicas de las piezas obtenidas. Ejemplos: niquelado o recubrimiento con almina.

Tratamiento superficial: endurecimiento superficial mediante formacin de carburos y nitruros.

recubrimiento

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CONSIDERACIONES DE DISEO EN PULVIMETALURGIACLASIFICACIN DE PIEZAS

Las piezas obtenidas mediante pulvimetalurgia se clasifican en funcin del nivel de dificultad en el prensado convencional.CLASE I: formas delgadas simples que se pueden presionar en una direccinCLASE II: formas simples pero ms gruesas que requieren presin en dos direccionesCLASE III: dos niveles de espesor presionados en dos direccionesCLASE IV: mltiples niveles de espesor presionados en dos direcciones, con controles separados para cada nivel a fin de lograr una densificacin apropiada a travs de la compactacin

CLASE I CLASE II CLASE III CLASE IV

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RECOMENDACIONES SOBRE DISEODebido al elevado coste del proceso de pulvimetalurgia es necesario una produccin mnima de 10000 unidades por montaje.Se usa para hacer piezas de metales y aleaciones que no son usuales o en materiales que podran ser difciles o imposibles de producir por otros medios, por ejemplo, metales refractarios (W, Mo), que poseen temperaturas de fusin demasiado elevadas, materiales compuestos (Cu/W, Ag/CdO) insolubles en estado lquido, materiales con porosidad controlada o aleaciones de metales con propiedades mecnicas mejoradas (superaleaciones de Ni y Co).La forma de la pieza debe ser tal que permita su eliminacin del molde; eso significa que debe tener lados verticales o casi verticales, deben evitarse caractersticas de diseo tales como muescas o perforaciones laterales y cambios bruscos de seccin. Si la pieza requiere algn diseo especial, debe obtenerse mediante algn mecanizado final.Para prensados normales, relaciones longitud/anchura3, para obtener densidades homogneas a lo largo de toda la pieza.El espesor de la pared entre dos perforaciones o entre una perforacin y la pared exterior de la pieza debe tener un mnimo de 1,5 mm.

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Evitar esquinas agudasNO SI

Espesores, dimetros>1,5 mmNO SI

Evitar ranuras profundas. Usar

fondos redondeados

NO SI

ALGUNOS EJEMPLOS DE CONSIDERACIONES DE DISEO