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Procesamiento de partculas
Para Metales y Cermicos.
lvaro Jos valencia Ramrez (1324547)
Jefferson Caicedo S. (1130816)
Freddy Javier Orbes. (1225813)
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Metalurgia de Polvos Es una tecnologa de procesamiento de
metales en la que
se producen piezas a partir de polvos metlicos.
Consiste en una mezcla mecnica de uno o mas polvos,
los polvos se comprimen para darles la forma deseada y
luego se calientan para ocasionar la unin de partculas
en una masa dura y rgida similar a las obtenidas
mediante fundicin.
La compresin, llamada prensado, se realiza en una
mquina tipo prensa cuyas herramientas consisten
generalmente en un troquel y uno o ms punzones. El
tratamiento trmico, llamado sinterizado, se realiza a una
temperatura por debajo del punto de fusin del metal
principal.
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Metalurgia de Polvos
Las piezas se producen en forma neta o
casi neta, lo que reduce procesos de
manufactura posteriores.
Poco desperdicio de materia prima al
elaborar piezas.
Bajo costo unitario cuando se produce en
masa.
Control preciso de la composicin y
porosidad.
Producir piezas de aleaciones que por otros
mtodos no se pueden.
Altos costos de los equipos de prensado y
herramientas de conformado.
La materia prima o polvos metlicos es
costosa.
Los polvos son de difcil almacenamiento y
manejo.
Variaciones de densidad en las piezas
producidas.
Limitaciones en las formas de las piezas.
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Caractersticas de los Polvos Ingenieriles
Tamao de las partculas y
su distribucin
PS = tamao de partcula
MC = nmero de malla (aberturas por in lineal)
= grueso de alambre de la malla, in
Forma y estructura interna
de las partculas
RA
rea superficial
= factor de forma
D = dimetro de una esfera de volumen equivalente al de una
partcula no esfrica
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Caractersticas de los Polvos Ingenieriles
Friccin interparticular y
caractersticas de flujo.
Empaquetamiento,
densidad y porosidad
Factor de empaquetamiento: es la densidad volumtrica dividida
entre la densidad real
Porosidad: es la razn del volumen de los poros (espacios vacos)
en el polvo respecto al volumen volumtrico
Porosidad + factor de empaquetamiento = 1.0
Composicin qumica y
pelculas superficiales
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Produccin de Polvos Metlicos
La atomizacin implica la conversin de un metal fundido en un
roco de pequeas gotas que se solidifican formando polvos.
Atomizacin:
Por Gas.
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Atomizacin
Por Agua. (PF1600C)
Disco
Giratorio
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Reduccin qumica
Electrlisis
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PRENSADO CONVENCIONAL
Y SINTERIZADO
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SECUENCIA CONVENCIONAL DE LA METALURGIA
DE POLVOS
1) COMBINACIN Y MEZCLADO DE LOS POLVOS
2) COMPACTACIN, EN LA CUAL SE PRENSAN LOS POLVOS PARA OBTENER
LA
FORMA DESEADA.
3) SINTERIZADO.
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Combinacin y mezclado de polvos
La combinacin se refiere al intermezclado de polvos de la
misma
composicin qumica, pero posiblemente con diferentes tamaos de
partcula .
Por qu se usan diferentes tamaos de partculas?
R// : Los tamaos diferentes de partculas se combinan
frecuentemente para reducir la porosidad .
El mezclado se refiere a la mezcla de polvos de distinta
composicin qumica
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MEDIOS MECNICOS PARA EL MEZCLADO Y
LA COMBINACIN
a) por rotacin en tambor
b) por rotacin en un recipiente de cono doble
c) por agitacin en un mezclador de tornillo
d) por agitacin en un mezclador de paletas.
LOS MEJORES RESULTADOS SE OBTIENEN CUANDO SE LLENAN ENTRE 20% Y
40% DE SU
CAPACIDAD.
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ADITIVOS
Lubricantes : reducen la friccin entre las partculas y en las
paredes del
troquel durante la compactacin.
Aglutinantes : se usan para lograr una resistencia adecuada en
las piezas
prensadas pero no sinterizadas.
Desfloculantes : que inhiben la aglomeracin de los polvos para
mejorar sus
caractersticas de flujo durante el procesamiento
subsecuente.
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COMPACTACIN
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COMPACTADO FRESCO:
Se le llama a la pieza de trabajo despus de haberle realizado el
proceso de prensado.
El termino FRESCO quiere decir que la pieza no esta
completamente procesada
DENSIDAD FRESCA:
Es la densidad de la pieza prensada, sta es mucho mas grande que
la densidad volumtrica inicial .
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RESISTENCIA FRESCA DE LA PIEZA
La presin que se aplica en la compactacin produce inicialmente
un
rempaquetamiento de los polvos en un arreglo ms eficiente .
Se reduce el espacio de los poros y se incrementa el nmero de
puntos de
contacto entre las partculas.
El rea de contacto interparticular aumenta y entran en contacto
partculas
adicionales.
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Sinterizado
Despus del prensado, el compactado fresco carece de fuerza y
resistencia: se desmorona fcilmente al menor esfuerzo.
El sinterizado es una operacin de tratamiento trmico que se
ejecuta sobre el compactado para unir sus
partculas metlicas , incrementando de esta manera su fuerza y
resistencia.
El tratamiento se lleva a cabo generalmente a temperaturas entre
0.7 y 0.9 del punto de fusin del metal .
Bajo la influencia del calor, el rea se reduce por la formacin y
crecimiento de las uniones entre las
partculas
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Materiales y Productos para
metalurgia de Polvos ELEMENTALES: consisten en un metal puro y
se usan en aplicaciones donde la alta pureza es importante.
Por ejemplo, el hierro puro puede usarse donde importan sus
propiedades magnticas. Los polvos
elementales ms comunes son de hierro, de aluminio y de
cobre.
Los polvos elementales se mezclan tambin con otros polvos
metlicos para producir aleaciones
especiales que son difciles de formular por mtodos
convencionales.
PREALEADOS: cada partcula es una aleacin que tiene la composicin
qumica deseada. Los polvos
prealeados se usan cuando la aleacin no puede formularse
mediante la mezcla de polvos elementales;
el acero inoxidable es un ejemplo importante . Los polvos
prealeados ms comunes son ciertas aleaciones
de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad.
los componentes comnmente fabricados mediante metalurgia de
polvos
son engranes, rodamientos, catarinas, sujetadores, contactos
elctricos
, herramientas de corte y varias piezas de maquinaria .
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PROCESAMIENTO DE
CERMICAS Y CERMETS
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PROCESAMIENTO DE CERMICAS TRADICIONALES
Preparacin de las materias primas
Procesos de formado
Cocimiento (sinterizado)
Acabado
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Preparacin de las materias primas
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El triturado se refiere a la ruptura de grandes trozos
provenientes de la mina en tamaos ms
pequeos para su reduccin posterior. Se puede requerir varias
etapas (por ejemplo, triturado
primario y triturado secundario), y la relacin de reduccin en
cada etapa puede ser del orden de 3
a 6. El triturado de minerales se realiza por compresin contra
superficies rgidas o por impacto
contra superficies rgidas con movimiento restringido para
realizar el triturado existen varios tipos.
TRITURADO
Las tcnicas para reducir el tamao de las partculas en el
procesamiento de las cermicas
aportan varias formas de energa mecnica, como impacto, compresin
y Frotamiento. Se
trabajan dos tipos generales de operaciones de pulverizacin: el
triturado y la molienda.
PULVERIZACIN
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trituradores de quijadas, en los cuales una
quijada grande se mueve hacia delante y
hacia atrs para triturar los terrones contra
una superficie dura y rgida.
trituradores giratorios, que
usan un cono giratorio para
comprimir los trozos contra una
superficie dura y rgida.
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trituradores de rodillos, en los
cuales los trozos de cermica se
aprietan entre tambores rotatorios.
molinos de martillos, que usan
martillos rotatorios para golpear
el material y romper los trozos.
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La molienda, en este contexto, se refiere a la operacin de
reducir las piezas pequeas
despus del triturado a polvos finos. La molienda se realiza por
abrasin e impacto del
mineral triturado por el libre movimiento de un medio duro y
suelto, como bolas, piedras o
barras.
a) molino de balines,
b) molino de rodillos
c) molienda por impacto.
molienda
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molino de balines contiene esferas duras mezcladas con el
material a pulverizar, que giran dentro de un
recipiente cilndrico grande. El movimiento arrastra a los
balines y el material hacia arriba en la pared del
recipiente y los hace caer para realizar la molienda por una
combinacin de impacto y frotamiento. Estas
operaciones frecuentemente aaden agua a la mezcla, de manera que
se forme una pasta aguada.
molino de rodillos: el material se comprime contra la mesa
horizontal del molino mediante rodillos que
giran sobre la superficie de la mesa. Aunque no se muestra
claramente en el diagrama, la presin de los
rodillos sobre la mesa se regula por resortes mecnicos o medios
hidroneumticos.
molienda por impacto: que parece usarse poco, las partculas del
material se proyectan contra una
superficie plana dura, ya sea por corriente de aire a alta
velocidad o mediante un chorro de una pasta muy
fluida a alta velocidad. El impacto fractura las piezas en
partculas ms pequeas.
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Procesos de formado
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los procesos de formado pueden dividirse con base en la
consistencia de la mezcla:
fundicin o vaciado deslizante, en la cual la mezcla es ligera
con 25 a 40% de agua.
formado plstico, en los cuales se forma la arcilla en condicin
plstica con 15 a 25% de agua.
prensado semi-seco, en el cual la arcilla est hmeda (10 a 15% de
agua), pero posee baja
plasticidad.
prensado seco, en el cual la arcilla est bsicamente seca,
contiene menos de 5% de agua.
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Fundicin o vaciado deslizante
El vaciado deslizante se usa en metalurgia de polvos, pero su
aplicacin en cermica es mucho
ms comn. En este mtodo se vaca una suspensin de polvos cermicos
en agua, llamada
pasta lquida, dentro de un molde poroso de yeso (CaSO4 2H2O)
donde el agua de la mezcla es
absorbida de manera gradual por el yeso y se forma una capa de
arcilla firme en la superficie del
molde. La composicin de la pasta lquida es tpicamente de 25 a
40% de agua, y el remanente
es arcilla mezclada de manera frecuente con otros ingredientes.
Debe ser lo suficientemente
fluida para penetrar en los resquicios de la cavidad del molde,
pero tambin es conveniente que
el contenido de agua sea bajo para lograr mayores velocidades de
produccin.
vaciado drenado: es el proceso tradicional, el molde se invierte
para drenar el exceso de pasta
lquida despus de que se ha formado la capa semislida, dejando as
una parte hueca en el molde;
ste se abre despus y se remueve la parte. La secuencia es muy
similar a la fundicin
hueca de metales. sta se usa para hacer jarras de t, vasos,
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Formado plstico Esta categora incluye varios mtodos manuales y
mecanizados. Todos ellos
requieren que la mezcla inicial tenga consistencia plstica, lo
cual se logra generalmente con un
contenido de agua de 15 a 25%. Para los mtodos manuales se usan
generalmente arcillas en el
lmite superior del rango, que constituyen un material ms fcil de
formar; sin embargo, esto viene
acompaado de mayor contraccin en el secado. Los mtodos
mecanizados emplean por lo general
mezclas con menor contenido de agua y por tanto la arcilla
inicial es ms espesa.
El torneado ligero
es una extensin del mtodo del alfarero, en el cual el modelado a
mano se remplaza por tcnicas
mecanizadas. Se usa para producir grandes cantidades de artculos
idnticos, como platos y tazones
para uso domstico. Aunque hay variantes en las herramientas y
mtodos usados, con diferentes
niveles de automatizacin y refinamiento de los procesos
bsicos.
1) un pedazo de arcilla hmeda se coloca en un molde convexo.
2) una herramientade formado presiona contra el pedazo para
generar la forma inicial aproximada
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El prensado plstico es un proceso de formacin en el cual el
pedazo de arcilla
plstica se prensa entre un molde inferior y otro superior
contenidos en un arillo metlico.
Los moldes se hacen de un material poroso como yeso; as, al
aplicar vaco detrs de los
moldes se remueve la humedad de la arcilla. Las secciones del
molde se abren entonces,
usando presin de aire positiva para prevenir la adherencia de la
pieza en el molde. El
prensado plstico alcanza producciones ms altas que el torneado y
no se limita a piezas
de simetra radial.
La extrusin se usa en el procesamiento cermico para producir
secciones largas
de seccin transversal uniforme que se cortan a la longitud de
pieza requerida. El equipo
de extrusin utiliza una accin tipo tornillo que ayuda a mezclar
la arcilla y a empujar el
material plstico a travs de la abertura del troquel. Esta
secuencia de produccin se usa
ampliamente para hacer tabiques huecos, losetas, tubos de
drenado, tubera en general y
aislantes. Se usa tambin para hacer pedazos de barro inicial
para otros procesos cermicos,
como torneado ligero y prensado plstico.
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Prensado seco La diferencia principal entre el prensado semiseco
y el prensado seco
es el contenido de humedad del material inicial. El contenido de
humedad de la arcilla
inicial en el prensado seco est tpicamente por debajo de 5%.
Generalmente se agregan
aglutinantes a la mezcla de polvos para proporcionar suficiente
resistencia a la pieza
prensada para su manejo subsiguiente. Tambin se aaden
lubricantes para prevenir que la
pieza se pegue al dado durante el prensado y la expulsin. Debido
a que la arcilla seca no
tiene plasticidad y es muy abrasiva, el diseo del troquel y los
procedimientos de operacin
son diferentes al prensado semiseco. Los troqueles se hacen de
acero para herramienta
endurecido o carburo de tungsteno cementado para reducir el
desgaste. Como la arcilla
seca no fluye durante el prensado, la forma de la pieza es
relativamente simple, por lo
que se debe agregar y distribuir en el troquel la cantidad
correcta de polvo inicial. No se
forman rebabas en el prensado seco y no ocurre contraccin de
secado, as que el tiempo de
secado se elimina, logrndose una buena precisin en las
dimensiones del producto final. La
secuencia del proceso en el prensado seco es similar a la del
prensado semiseco. Los
productos tpicos incluyen azulejos para bao, aisladores
elctricos y ladrillos refractarios.
Prensado semiseco En el prensado semiseco las proporciones de
agua en la arcilla inicial
estn tpicamente en el rango de 10 a 15%. Esta proporcin produce
una baja plasticidad que
impide el uso de mtodos de formado plstico, los cuales requieren
una arcilla con mayor
plasticidad. Los procesos semisecos usan alta presin para
superar la baja plasticidad del
material y forzado dentro de la cavidad de un troquel, tal como
se muestra en la figura 17.7.
Con frecuencia se forma rebaba debido al exceso de barro que se
introduce entre las secciones
del troquel.
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Secado
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Secado
El proceso de secado se hace ms lento. En produccin, el secado
se realiza de manera usual en
cmaras donde se controla la temperatura y la humedad para lograr
el programa apropiado de secado.
Debe tenerse cuidado de no remover demasiado rpido el agua de la
pieza, para evitar que se formen
altos gradientes de humedad, haciendo el material ms propenso a
las grietas. El calentamiento se hace
normalmente por una combinacin de conveccin y radiacin usando
fuentes infrarrojas. Los tiempos
tpicos de secado van desde 15 minutos para secciones delgadas
hasta varios das para secciones muy
gruesas.
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En la primera etapa, la velocidad de secado es rpida y
constante, debido a que el agua de la superficie de la
arcilla
se evapora en el aire circundante y el agua interior emigra,
por accin capilar, hacia la superficie para remplazarla.
Durante esta etapa ocurre la contraccin, con el riesgo
asociado de deformacin y agrietamiento debido a las
variaciones del secado en diferentes secciones de la pieza.
segunda etapa de secado, el contenido de humedad se
ha reducido hasta que los granos cermicos han quedado
en contacto, y ocurre poca o ninguna contraccin.
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Cocimiento
(sinterizado)
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cocimiento es el proceso de tratamiento trmico que sinteriza al
material cermico y se realiza en un
horno cermico. En el sinterizado se desarrollan uniones entre
los granos cermicos y esto
va acompaado de densificacin y reduccin de porosidad. En el
cocimiento de la cermica tradicional
pueden ocurrir ciertas reacciones qumicas entre los componentes
de la mezcla y formarse tambin una
fase vtrea entre los cristales, la cual acta como aglutinante.
Ambos fenmenos dependen de la
composicin qumica del material cermico y de las temperaturas de
cocimiento que se usan.
Las piezas de cermica no glaseadas se cuecen solamente una vez;
los productos
glaseados se cuecen dos veces. El glaseado se refiere a la
aplicacin de un recubrimiento
cermico en la superficie para hacer las piezas ms impermeables
al agua y mejorar su
apariencia . La secuencia de procesamiento usual de los artculos
glaseados
es:
1) cocimiento de los artculos antes del glaseado para endurecer
el cuerpo de la pieza.
2) aplicar el glaseado.
3) cocer la pieza una segunda vez para endurecer el
glaseado.
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Acabado Las piezas hechas con la nueva cermica requieren algunas
veces acabado. En general
esta operacin tiene uno o ms de los siguientes propsitos: 1)
incrementar la precisin
dimensional, 2) mejorar el acabado de la superficie y 3) hacer
cambios menores en la forma
de la pieza. Las operaciones de acabado involucran generalmente
esmerilado y otros
procesos abrasivos.Se necesita usar abrasivos de diamante para
cortar los
materiales cermicos endurecidos.
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Preparacin de las materias primas
Procesos de formado
Cocimiento (sinterizado)
Acabado
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PROCESAMIENTO DE CERMICAS NUEVAS
se basan en compuestos qumicos ms simples, como xidos, carburos
y nitruros. Estos materiales no
poseen la plasticidad y facilidad de formado de las arcillas
tradicionales cuando se mezclan con agua.
Por consiguiente, los polvos deben combinarse con otros
ingredientes para lograr la plasticidad y otras
propiedades convenientes durante el formado y aplicar as los
mtodos convencionales.
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La secuencia de manufactura para las nuevas
cermicas se puede resumir en los siguientes
pasos: 1) preparacin de materiales iniciales, 2)
formado, 3) sinterizado y 4)
acabado.
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Preparacin de materiales iniciales
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los polvos iniciales deben ser ms homogneos en tamao y
composicin, y los tamaos
de partcula deben ser menores (la resistencia de los productos
cermicos resultantes es
inversamente proporcional al tamao de los granos).
Los mtodos mecnicos constan de las mismas operaciones de
molienda que se
llevan a cabo en el molino de balines utilizado con las cermicas
tradicionales. La
dificultad con estos mtodos es que las partculas cermicas se
contaminan con
el material de los balines y paredes del molino. Esto compromete
la pureza
de los polvos cermicos y como resultado aparecen grietas
microscpicas que
reducen la resistencia del producto final.
Se usan dos mtodos qumicos para lograr mayor homogeneidad en los
polvos de los
nuevos cermicos:
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Secado por congelacin, las sales de un producto qumico inicial
apropiado se disuelven en agua
y la solucin se roca para formar gotas pequeas que son
rpidamente congeladas. Despus, se
remueve la humedad de las gotas en una cmara de vaco; la sal
resultante secada por congelacin
se descompone por calentamiento para formar polvos cermicos. El
secado por congelacin no es
aplicable a todos los cermicos, debido a que en algunos casos no
es posible identificar un material
inicial soluble en agua.
precipitacin de una solucin es otro mtodo de preparacin que se
usa para las nuevas
cermicas. En el proceso tpico, el compuesto cermico deseado se
disuelve a partir del mineral
inicial, permitiendo filtrar las impurezas. Entonces se
precipita un compuesto intermedio de la
solucin, que se convierte en el compuesto deseado por
calentamiento.
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aditivos con los polvos iniciales
Plastificantes: para mejorar la plasticidad y facilidad de
trabajo.
aglutinantes: para unir las partculas cermicas en una masa slida
en el producto final.
agentes humectantes: para mejorar el mezclado.
des floculantes: ayudan a prevenir la aglomeracin y la unin
prematura de los polvos.
Lubricantes: para reducir la friccin entre los granos cermicos
durante el formado y para
reducir la adherencia cuando se retira la pieza del molde.
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Formado
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Prensado caliente El prensado caliente es similar al prensado
seco, excepto porque el proceso se
lleva a cabo a temperaturas elevadas; as el sinterizado del
producto se realiza simultneamente con el
prensado. Esto elimina la necesidad de un paso de cocimiento
adicional en la secuencia. Se obtienen
densidades ms altas y granos de tamao ms fino, pero la vida del
troquel se reduce por la abrasin
de las partculas calientes contra la superficie del troquel.
Prensado isosttico: Usa presin hidrosttica para compactar los
polvos cermicos en todas direcciones,
evitando la falta de uniformidad del producto final, problema
que se observa frecuentemente en los
mtodos de prensado uniaxial tradicional.
Moldeo por inyeccin de polvos PIM: Es el mismo proceso que se
usa en metalurgia de polvos excepto
porque los polvos son cermicos en lugar de metlicos. Las
partculas cermicas se mezclan con un
polmero termoplstico que acta como portador y que proporciona
las caractersticas apropiadas de flujo a
las temperaturas de moldeo. La mezcla se calienta y se inyecta
en la cavidad de un molde. Cuando el
polmero se enfra y endurece, se abre el molde y se retira la
pieza. Debido a que las temperaturas que se
necesitan para plastificar el portador son mucho ms bajas que
las requeridas para efectuar el sinterizado
del material cermico, la pieza sigue fresca despus del moldeo.
Antes del sinterizado se debe remover el
aglutinante plstico. Esto se llama desaglomeracin y se realiza
generalmente por una combinacin de
tratamientos trmicos con solventes.
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Procesos de bistur Este proceso se usa para hacer lminas
delgadas de material cermico. Una
aplicacin comn son las lminas que se usan en la industria
electrnica como materiales de
sustrato para los circuitos integrados. Una pasta aguada cermica
se introduce en una pelcula
portadora mvil como el celofn. El espesor de la cermica en la
pelcula portadora se determina por
un limpiador llamado bistur. Al moverse la pasta por debajo de
la lnea, se seca formando una cinta
cermica fresca flexible. Al final de la lnea se enreda la cinta
en un carrete para su procesado
posterior. La cinta fresca se puede cortar o procesar antes de
cocerse.
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Sinterizado
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sinterizado todava es muy necesario para obtener las mximas
resistencia y dureza posibles. Las
funciones de sinterizado son las mismas que antes:
1) unir los granos individuales en una masa slida.
2) incrementar la densidad.
3) reducir o eliminar la porosidad.
Para sinterizar el material cermico se usan comnmente
temperaturas de 80 a 90% del punto de
fusin. El mecanismo de sinterizacin es diferente entre las
nuevas cermicas, que se basan
predominantemente en un solo compuesto qumico (por ejemplo,
Al2O3), yblas cermicas basadas
en arcilla, las cuales comprenden a varios compuestos con
diferentesbpuntos de fusin. En el caso
de las nuevas cermicas, el mecanismo de sinterizado es la
difusin de masa a travs de las
superficies de contacto de las partculas, probablemente
acompaada de algn flujo plstico. Este
mecanismo ocasiona que los centros de las partculas se muevan
para juntarse ms; el efecto se
traduce en una densificacin del material final. En el
sinterizado de cermicas tradicionales, este
mecanismo se complica por la fusin de algunos constituyentes y
la formacin de una fase glaseada
que acta como aglutinante entre los granos.
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Acabado
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Las piezas hechas con la nueva cermica requieren algunas veces
acabado. En general
esta operacin tiene uno o ms de los siguientes propsitos:
1) incrementar la precisin dimensional.
2) mejorar el acabado de la superficie.
3) hacer cambios menores en la forma de la pieza. Las
operaciones de acabado involucran
generalmente esmerilado y otros procesos abrasivos.
Se necesita usar abrasivos de diamante para cortar los
materiales cermicos endurecidos.
