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Pulvimetalurgia, el Proceso y sus Productos
La Pulvimetalurgia (Powder Metallurgy) ha sido usada desde los años 1920 para producir
un amplio rango de componentes estructurales, cojinetes autolubricantes y herramientas de
corte. Este curso pretende entregar un resumen acerca de los procesos Pulvimetalúrgicos y se
pretende describir los cambios recientes en la tecnología de producción y las aplicaciones de la
Pulvimetalurgia.
Figura 1a
La Pulvimetalurgia (PM) en el contexto de esta presentación
abarca la producción de metales en la forma de polvo y la
manufactura, a partir de tales polvos, de objetos útiles por
el proceso conocido como sinterización (sintering).
En muchos casos, piezas individuales de ingeniería son Figura 1b
producidas directamente por este proceso, las cuales son llamadas indiscriminadamente como
piezas sinterizadas, componentes sinterizados o pieza pulvimetalúrgica. Sin embargo, piezas
trabajadas también pueden producirse a partir de polvo y recientemente han ocurrido un número
de desarrollos científicamente fascinantes de gran potencial industrial. El proceso PM involucra la
compresión del polvo, normalmente en un contenedor o matriz, para producir un compacto que
tenga una cohesión suficiente para permitirle ser manipulado con seguridad, y luego el
calentamiento del compacto, por lo general en una atmósfera protectora, hasta una temperatura
por debajo del punto de fusión del constituyente principal, proceso durante el cual las partículas
individuales se unen por un proceso tipo soldadura y confieren al material la fuerza suficiente para
el uso destinado. Es este paso del calentamiento el cual es llamado sinterización.
Aplicaciones de la Pulvimetalurgia
Fig. 3 Contactores eléctricos (cobre y aleaciones)
AREA AUTOMOTRIZ
HERRAMIENTAS DE CORTE Y OTROS
Figura 4 Aplicaciones de PULVIMETALURGIA
EL PROCESO
El procedimiento básico en la manufactura de piezas PM consiste en:
(1) Mezclar el o los metales en polvo con un lubricante adecuado.
(2) Cargar la mezcla en una matriz o molde y aplicar presión. Esto da como resultado lo que se
llama un sólido compacto, que sólo requiere tener la cohesión suficiente para permitirle
ser manejado seguro y transferido a la etapa siguiente. Tales compactos son llamados
cuerpos verdes, equivalentes a “no sinterizados”. De ahí vienen los términos densidad en
verde y resistencia en verde.
(3) Calentar el compacto, usualmente en una atmósfera protectora, a una temperatura por
debajo del punto de fusión del constituyente principal de modo que las partículas de polvo
se suelden, confiriendo así la resistencia suficiente al objeto para el uso destinado. Este
proceso es llamado sinterización, de aquí el término piezas sinterizadas. En ciertos casos,
un constituyente minoritario se funde a la temperatura de sinterización, en cuyo caso el
proceso es referido como sinterización en fase líquida. La cantidad de fase líquida debe ser
limitada de modo que la pieza conserve su forma.
En ciertos casos especiales se combinan las etapas 2 y 3, es decir, la compactación se hace a una
temperatura elevada tal que la sinterización ocurre durante el proceso de compactación. Esto es
llamado compactación en caliente o sinterización en compresión.
Una variante especializada en este proceso - la producción de Compuestos Magnéticamente
blandos (SMC, soft magnetic composites) - involucra un paso de calentamiento previo a la
sinterización de las partículas metálicas cuyo propósito es el curado de una resina aglutinante,
añadida para aislar las partículas de polvo individuales de hierro.
En muchos casos la pieza sinterizada es sometida a procesamientos adicionales – recompactación,
recubrimiento, Tratamientos Térmicos etc., los que serán tratados en secciones posteriores.
En ciertos casos especiales, por ejemplo en la fabricación de filtros a partir de polvo esférico de
bronce, no se utiliza ninguna presión. El polvo es colocado en un molde que tiene la forma final
deseada en el cual es sinterizado. Este proceso es conocido como sinterización del polvo suelto (no
comprimido).
¿POR QUÉ HACER PIEZAS A PARTIR DE POLVO?
Hay dos motivos principales para usar un producto pulvimetalúrgico:
(1) ahorro de costos comparado con procesos alternativos,
(2) atributos únicos alcanzables sólo por la ruta PM.
La primera de estas razones es la fuerza motriz para:
Piezas Estructurales (o Mecánicas): En términos de tonelaje, este es lejos el grupo más grande.
El mayor volumen consiste en piezas a base de hierro, pero se produce un tonelaje significativo de
piezas de cobre, latón (brass), bronce y aluminio, así como algunos metales más raros como berilio
y titanio. En general, tales piezas a menudo tienen ventaja sobre las forjadas en la exactitud
dimensional, pero en un número grande de casos, la justificación principal para su empleo es la
económica. Durante la década pasada, sin embargo, ocurrieron desarrollos que ahora exigen una
revisión de lo anterior. Ahora es posible producir piezas sinterizadas con propiedades iguales o
incluso superiores a aquellas piezas fabricadas por rutas más tradicionales. Algunos de estos
desarrollos han sido en los materiales utilizados, mientras que otros han sido modificaciones al
proceso de producción estándar:
- en la etapa de Compactación (por ejemplo la Compactación en Tibio, la Compactación en
Frío de Alta Presión, la Compactación de Alta Velocidad),
- durante la Sinterización (p.ej.la Sinterización Activada, la Sinterización de Fase Ferrita)
- o como procesos de densificación postsinterización (por ejemplo la Forja de Polvo,
Laminación Superficial en Frío).
Estos desarrollos se consideran más detalladamente en secciones posteriores.
Hay un número de ejemplos de la segunda razón, como la consecución de propiedades únicas o
características:
Materiales Porosos: La mayoría de las formas de metal son porosas en cierta medida, los
metales sinterizados lo son más que la mayoría, pero aquí nos importa la producción de partes
que tienen una porosidad significativa y cuidadosamente controlada, diseñada para cumplir un
propósito útil. Los productos principales en este grupo son los filtros y los cojinetes impregnados
en aceite, a menudo llamados cojinetes autolubricantes. Este último es uno de los principales
productos PM y es tratado en una sección posterior.
Los siguientes productos no pueden producirse fácil o satisfactoriamente por procesos
alternativos.
Metales refractarios: tienen muy altos puntos de fusión, tales como el tungsteno, el molibdeno,
el niobio, el tantalio y el renio. Son muy difíciles de producir por fusión y moldeo y con frecuencia
son muy frágiles en el estado proveniente de fundición. Un compacto de polvo sinterizado puede
deformarse mecánicamente a una temperatura apropiadamente elevada. Luego desarrolla
gradualmente una microestructura con una orientación preferencial que da al, ahora denso
material, una ductilidad útil incluso a temperatura ambiente.
Materiales Compuestos: se componen de dos o más metales que son insolubles incluso en
estado líquido, o mezclas de metales con sustancias no metálicas tales como óxidos y otros
materiales refractarios. Algunos ejemplos son:
(a) Material de Contacto Eléctrico (cobre/tungsteno, plata/ óxido de cadmio)
(b) Metales Duros (carburos cementados), usados para herramientas de corte y partes de
desgaste (p.ej. matrices de trefilado de alambre (wire-drawing) y herramientas para la
forja en caliente de metales). El carburo de tungsteno unido con cobalto fue el primero de
esta clase de materiales y todavía tiene la mayor parte del mercado, pero otros carburos y,
más recientemente, nitruros, carbonitruros y boruros están siendo usados en cantidades
crecientes y se han desarrollado substitutos para el relativamente escaso y caro cobalto.
Estos incluyen Ni, Ni-Co, Ni-Cr, superaleaciones a base de níquel y aceros complejos.
(c) Materiales de Fricción para camisas de freno y revestimientos de embrague en los cuales
materiales abrasivos y otros materiales no metálicos están embebidos en una matriz de
cobre u otro metal.
(d) Herramientas de corte de diamante, sobre todo ruedas de rectificar, esmeriles (grinding
wheels), en las cuales pequeños diamantes están uniformemente dispersos en una matriz
metálica.
Fig. 5 Ruedas para rectificar (grinding wheels), diamante/CBN (cubic boron nitride)
(e) En los últimos años, se han desarrollado y puesto en servicio varios productos trabajados
que contienen fases no metálicas finamente dispersas. Estos materiales endurecidos o
reforzados por dispersión (llamados materiales ODS “oxide dispersión-strengthened” si las
partículas de refuerzo son óxidos) son resistentes, especialmente a temperaturas elevadas
superiores a las de metales fundidos o trabajados de composición básica similar.
(f) Materiales compuestos magnéticamente blandos (SMC “soft magnetic composite), que
consisten en partículas de polvo de hierro aisladas entre ellas por una resina aglutinante
curada. Es difícil si no imposible fabricar estos productos compuestos excepto por PM.
Componentes Magnéticos: Ventajas económicas y técnicas también se han encontrado en la
producción de componentes para aplicaciones magnéticas.
Aleaciones especiales de alta responsabilidad: Los aceros rápidos y superaleaciones de níquel
y/o cobalto pueden procesarse por PM para obtener un producto con propiedades superiores a
aquellas alcanzadas por fundición y forjado. En general, el polvo es compactado para obtener un
tocho que es sometido luego a forja o extrusión seguida por el conformado por modos
tradicionales. Las ventajas de la ruta PM son: un mayor rendimiento del material utilizable y una
microestructura más fina e uniforme, que confiere propiedades mecánicas mejoradas y, en el caso
de herramientas de corte y piezas de desgaste, una vida más larga.
El proceso PM también ha permitido el desarrollo de nuevos tipos de materiales basados en
polvos que tienen estructuras microcristalinas o incluso amorfas (parecidas al vidrio), producidas
por el enfriamiento a alta velocidad de gotas de metal fundido. El producto consolidado final se
caracteriza por tener una alta resistencia, ductilidad y estabilidad térmica.
FABRICACIÓN DEL POLVO
Hay muchas formas en las que se pueden producir metales en forma de polvo,
- pulverización del metal sólido (piezas grandes puesto que el polvo también está en estado sólido)
- precipitación a partir de una sal en solución
- descomposición térmica de un compuesto químico
- reducción de un compuesto en estado sólido, usualmente el óxido
- electrodeposición
- y la atomización de metal fundido.
De éstos, los tres últimos representan la mayor producción de los polvos que se emplean en
procesos industriales.
Reducción en estado sólido: Este fue durante mucho tiempo el método más ampliamente
utilizado para la producción de polvo de hierro. El mineral seleccionado se tritura, se mezcla con
carbón, y se pasa a través de un horno continuo donde ocurre la reacción que deja una capa de
hierro esponjoso. Los tratamientos posteriores para producir el polvo consisten en la trituración,
separación del material no metálico y el tamizado. Dado que no se realizan operaciones
posteriores de refinación, la pureza del polvo depende de la pureza de las materias primas. Las
partículas irregulares en forma de esponja son suaves y fácilmente comprimibles, y le dan a los
compactos una buena resistencia en verde.
Los metales refractarios se producen normalmente mediante la reducción de óxidos en hidrógeno,
y el mismo proceso puede ser utilizado para el cobre.
Hay varias plantas productoras de polvo por la reducción de óxido de hierro (“mil scale powder”,
laminilla o cascarilla de laminación en polvo) por medio de hidrógeno o materiales carbonosos
como el coque.
Como una variante en un tema similar, los polvos de hierro de alta compresibilidad también se
producen por descarburación de hierro de alto carbono granulado y pulverizado.
Electrólisis: Al elegir las condiciones adecuadas - la composición y la resistencia del electrolito, la
temperatura, la densidad de corriente, etc. - varios metales pueden ser depositados en un estado
esponjoso o en polvo.
Puede requerirse un extenso procesamiento adicional - lavado, secado, reducción, recocido y
triturado.
El cobre es el principal metal que se produce de esta manera, pero también se producen polvos de
cromo y manganeso por electrólisis. Sin embargo, en estos casos se forma un depósito denso y
normalmente frágil que hay que triturar para obtener el polvo. Las presiones de la legislación
ambiental han restringido la producción de cobre electrolítico a las regiones donde estas
restricciones son menos severas, aunque este tipo de polvo sigue siendo comercializado más
ampliamente por los principales proveedores de polvo de cobre. El hierro electrolítico se produjo
en un momento en una escala importante, pero ahora ha sido reemplazado en gran parte por
polvos obtenidos por procedimientos menos costosos. Dos características distintivas son la alta
densidad y la muy alta pureza.
Figura 6 Cobre electrolítico (50μm)
Lectura sugerida: 1.-Gokce_206_FINAL(v2)_v3. PM2010.pdf electrolisis CuZn.pdf; en apuntes respaldo
2.-Revista de Metalurgia CENIM, marzo. 2011 vol 47 (2) 1188-1201-1-PB[1] Pulvimetalurgia del Titanio.pdf
“Proceso Electrowinnig” El método de obtención de polvos por vía electrolítica aplica un potencial
eléctrico para reducir el cobre presente en el electrolito al igual que en las plantas de electro-
obtención, pero con la diferencia que aquí se requiere producir un polvo de cobre lo más fino
posible. Para ello, se aplica un potencial eléctrico diez veces mayor que en el método de electro-
obtención, logrando un sobre potencial de reducción que favorece ampliamente la nucleación en
vez del crecimiento de grano de cobre y de esta formar se obtiene el polvo fino de cobre.
Atomización: En este proceso el metal fundido es dispersado o dividido en pequeñas gotas que
son enfriadas rápidamente antes que entren en contacto entre ellas o con otra superficie sólida.
El método principal de obtención consiste en desintegrar un delgado chorro de metal fundido
sometiéndolo al impacto de chorros de alta energía de gas o líquido. Aire, nitrógeno y argón son
los gases usados comúnmente, y el agua es el líquido más ampliamente utilizado.
Mediante la variación de varios parámetros - diseño y configuración de los chorros, presión y el
volumen del fluido a atomizar, grosor del flujo de metal, etc. - es posible controlar la distribución
del tamaño de las partículas en un amplio rango. La forma de las partículas es determinada en
gran medida por la velocidad de solidificación y varía desde esférica, si se emplea un gas de baja
capacidad calórica, a muy irregular si se usa agua. En principio, la técnica es aplicable a todos los
metales que se pueden fundir y se utiliza comercialmente para la producción de hierro, cobre,
acero para herramientas, aleaciones de acero, latón, bronce y metales de bajo punto de fusión,
tales como el aluminio, estaño, plomo, zinc y cadmio.
Fig. 7 Secuencia de desintegración del líquido durante proceso atomización
Los metales fácilmente oxidables (por ejemplo, aleaciones de cromo para cojinetes), están siendo
atomizados en una escala creciente por medio de gas inerte, especialmente argón.
Procesos de Atomización
Figura 8 Proceso de Atomización con agua
Fig. 9 Equipamiento Atomización por gas
Figura 10 Proceso atomización por agua
Fig. 11 Atomización
Por Gas
El metal debe calentarse por sobre la temperatura de fusión. Todos los diseños con gas deben
permitir la recuperación de éste, mediante una presión inversa, dado el gran volumen de gas
utilizado. Equipos verticales normalmente tienen ciclones separadores que permiten recuperar el
gas.
Además, hay varios otros procesos que están encontrando cada vez mayores aplicaciones, uno
importante es la atomización centrífuga en la cual las gotas de metal fundido se disparan desde
una fuente en rotación. Hay básicamente dos tipos de procesos de atomización centrífuga:
(1) Una copa de metal fundido se gira sobre un eje vertical a una velocidad suficiente como para
lanzar gotas de metal líquido, o se deja caer un chorro de metal en un disco giratorio o un cono, o
(2) Una barra de metal se hace girar a alta velocidad y se va derritiendo progresivamente el
extremo libre, por ejemplo con un haz de electrones o un arco de plasma. Este último proceso se
llama el Proceso de Electrodo Rotatorio (REP, Rotating Electrode Process), y la barra se puede girar
ya sea en un eje horizontal o vertical.
Una ventaja especial de estos procesos es que pueden llevarse a cabo en una atmosfera
controlada en un recipiente sellado - incluso en vacío - y por tanto se pueden producir polvos
"limpios" de metales altamente reactivos.
Con el proceso REP, evitar el contacto con el refractario es un potente modo de reducir el
número de inclusiones no metálicas en el polvo y en los componentes fabricados a partir del
polvo.
La atomización de gas estrechamente acoplada (o confinada) ha sido ampliamente
desarrollada en los últimos años para producir polvos finos para una amplia gama de aplicaciones,
incluyendo el Moldeo por Inyección de Metal (Metal Injection Moulding), discutido más adelante.
En la atomización de gas estrechamente acoplada, el diseño de la boquilla de colada y cabeza de
atomización se ajustan para que el impacto del flujo de metal fundido con el chorro de gas
atomizador ocurra inmediatamente debajo de la salida de la boquilla, con poco o nada de altura
de caída libre. Presiones normales del gas aplicado son < 5 MPa, pero a veces se emplean
presiones de hasta 18MPa
La atomización es particularmente útil para la producción de aleaciones en forma de
polvo, puesto que los metales constituyentes están completamente aleados en el estado líquido
(fundido). De esta manera, cada partícula de polvo tiene la misma composición química.
Adicionalmente, el proceso se utiliza para producir composiciones tales como cobre-
plomo, sistema en el cual el plomo, aunque es soluble en estado líquido, se sale de la solución
durante la solidificación. Si se fabrica una pieza de esta aleación mediante fundición, se produce
una severa segregación de plomo, pero si el líquido es atomizado, el producto final es polvo de
cobre que contiene una distribución muy fina y uniforme de inclusiones de plomo dentro de cada
partícula de polvo.
Tabla 1 Producción de polvos mediante proceso atomización
Trituración/ Conminución Mecánica: materiales frágiles tales como compuestos intermetálicos,
aleaciones de hierro, hierro-cromo, hierro-silicio, etc., se pulverizan mecánicamente en molinos de
bolas, y otro proceso conocido como el Proceso de Micronización (Coldstream Process) produce
polvos muy finos. En este proceso el material granular, que puede ser polvo atomizado de tamaño
grueso, se alimenta en una corriente de gas a presión a través de un tubo de Venturi y se enfría,
de tal modo se fragiliza por la expansión adiabática del gas antes de impactar en un blanco en el
que quiebran los gránulos.
Procesos Químicos: En algunos casos se utiliza la descomposición térmica de un compuesto
químico, siendo un proceso destacado el carbonilo (enlace doble carbono-oxígeno) de níquel.
Este Proceso Carbonilo (Carbonyl Process) fue desarrollado originalmente como un medio de
refinación de níquel, metal bruto que se hace reaccionar de forma selectiva con monóxido de
carbono bajo presión para formar el carbonilo de níquel, que es gaseoso a la temperatura de
reacción, y que se descompone al aumentar la temperatura y disminuir la presión.
El mismo proceso se utiliza para el hierro, teniendo el polvo de carbonilo de hierro una aplicación
a pequeña escala en los casos donde es útil su muy elevada pureza.
Recientemente la demanda de polvos muy finos para el proceso de moldeo por inyección ha dado
un impulso considerable al proceso de carbonilo. Típicamente, el tamaño de las partículas de
polvo de carbonilo de hierro es de 1 a 5m, pero, como en el caso del níquel, puede hacerse a la
medida para adaptarse a las necesidades particulares.
Otro caso de descomposición térmica es el polvo de platino, el cual se fabrica a partir de
un precipitado esponjoso producido por el calentamiento de una sal - hexacloroplatinato de
amonio. En el proceso de Sherritt-Gordon, el polvo de níquel se obtiene por reducción con
hidrógeno de una solución de una sal de níquel bajo presión.
En otros casos se utiliza la precipitación química de un metal a partir de la disolución de
una sal soluble - por ejemplo, la plata, polvo que se produce mediante la adición de un agente
reductor a una solución de nitrato de plata. Por supuesto, esto es el mismo proceso básico que se
utiliza para producir fotografías en blanco y negro. Polvos de cobalto también se fabrican por la
reducción de polvo de carbonato de cobalto, obtenido por la precipitación química con CO2 a
partir de amino-sulfato de cobalto en solución.
CARACTERIZACION DE LOS POLVOS
Características de polvo: El tratamiento posterior y los resultados finales alcanzados en la pieza
sinterizada están influenciados por las características físico-químicas del polvo. Es por ello, que en
producción y diseño de piezas es fundamental caracterizar, mediante diferentes técnicas a aplicar:
- tamaño de partículas y la distribución del tamaño
- forma o morfología de las partículas
- estructura (Cristalina y metalográfica)
- condición superficial (rugosidad, porosidad)
- Composición química (pureza y % impurezas)
- Densidad Aparente (DA)
Uno de los parámetros importantes es la densidad aparente (DA) del polvo, es decir, la masa de un
volumen dado, ya que esto influye fuertemente en la resistencia de los compactos obtenidos por
compresión. La DA es función de la morfología, de rugosidad y por tanto de la fluidez de las
partículas.
La DA determinará el diseño de la altura y recorrido de los punzones en la matriz de compactación.
Uno de los métodos de medición de la DA es Medidor de flujo de Hall (se puede medir la
velocidad de flujo y la densidad aparente)
Fig. 12 Equipo Hall. Medición de Densidad Aparente
Respecto de la morfología de los polvos, su forma también afecta la densidad aparente y todo lo
que ello conlleva. La figura 13 muestra las diferentes morfologías de los polvos.
Fig. 13 Morfología de Polvos.
La elección de las características del polvo normalmente se basa en concesiones mutuas, ya que
muchos de los factores están en oposición directa entre ellos:
Un incremento en la irregularidad y la textura porosa de los granos de polvo, es decir, la
disminución de la densidad aparente, aumenta la reducción de volumen que ocurre en la
compresión y por lo tanto el grado de soldadura en frío que, a su vez, da una mayor resistencia en
verde al compacto.
Este incremento de superficies de contacto conduce también a una sinterización más eficiente.
Adicionalmente, la mayor reducción en volumen necesaria para obtener la densidad en verde
requerida puede necesitar una mayor presión y, en consecuencia, prensas más grandes y matrices
más resistentes.
La facilidad y la eficiencia del apilamiento del polvo en la matriz depende en gran medida de una
amplia distribución del tamaño de partículas, de modo que los huecos creados entre partículas de
gran tamaño pueda llenarse progresivamente con aquellas de menor tamaño.
El tamaño fino de partículas tiende a dejar poros más pequeños, que se cierran fácilmente durante
la sinterización. Sin embargo, un exceso de partículas finas reduce las propiedades de fluir.
Un tamaño de partículas fino es, sin embargo, un requisito importante del Proceso de Moldeado
por Inyección de Metal (véase más adelante). La aparición de este proceso desde la década de
1980 ha dado un impulso considerable inicialmente a la utilización de polvos de carbonilo de
hierro y de níquel y, posteriormente y de forma más significativa, al polvo fino atomizado con gas
producido por la atomización estrechamente acoplada.
El tamaño de los polvos se mide por diferentes técnicas, siendo algunas mas precisas que otras,
pero su aplicación será función del costo y disponibilidad de estos equipos.
Microscopía (Lupa estereográfica, MO, MEB, la elección depende del tamaño de
partícula, cantidad de muestra)
Tamizado
Sedimentación
Técnicas por Difracción de Rx (DRX)
El tamizado es una técnica industrial muy utilizada para conocer el tamaño de partícula. Una grilla
cuadricular con espaciado entre cables o hilos crea la unidad tamaño de malla o MESH.
Un tamaño de malla MESH se determina por el número de hilos por unidad de longitud en (pulg).
El tamaño de la abertura varía inversamente proporcional con el número de malla (MESH): Nº
malla grande significa un tamaño de abertura mínima.
Ejemplo.
Malla 200 => 200 alambres/pulg., o 127 μm entre centro de alambres.
Como el diámetro del alambre es 52 μm, luego la separación remanente entre alambres es 75 μm.
El valor mínimo de separación no puede disminuir demasiado.
La técnica de tamizado es aplicable para partículas de tamaño superior a 38 μm.
Tabla 2 Tamaño Standard de TAMIZ
TAMAÑO
MALLA
SEPARACION
μm
TAMAÑO
MALLA
SEPARACION
μm
18 1000 100 150
20 850 120 125
25 710 140 106
30 600 170 90
35 500 200 75
40 425 270 53
50 300 325 45
60 250 400 38
70 212 500 25
80 180 600 20
La pureza del polvo es crucialmente importante. Los niveles de impurezas tolerables dependen en
gran medida de la naturaleza y el estado de la combinación de sustancias en cuestión.
Por ejemplo, la presencia de carbono combinado en el hierro tiende a endurecer la matriz de
modo que se requieren mayores presiones durante la compactación. Sin embargo, el carbono libre
es a menudo una ventaja, pues actúa como un lubricante durante la operación de prensado.
La mayoría de los granos de polvo de metal están cubiertos por una delgada película de óxido. En
general, esto no interfiere con el proceso ya que la película de óxido se rompe durante la
operación de prensado para proporcionar superficies metálicas limpias y activas que se sueldan
fácilmente en frío. Su reducción final bajo la atmósfera controlada de sinterización es esencial para
la unión metálica completa y una máxima resistencia.
Películas de óxido estables o la inclusión de partículas de óxido, tales como SiO2 y Al2O3, son más
graves ya que estas son generalmente abrasivas y conducen a un mayor desgaste de la
herramienta. Además, no pueden ser reducidas durante la sinterización posterior y su presencia
puede afectar negativamente las propiedades mecánicas, especialmente la resistencia al impacto
de la pieza terminada. Esto es de gran importancia cuando se requieren piezas de alta integridad y
alta densidad – particularmente piezas de polvo forjadas.
Al discutir la composición química de los polvos, éstos deben subdividirse en tres grupos:
I.-Polvos elementales (materiales de alta pureza) El análisis químico se basa en la concentración de
impurezas
II.-Polvos pre-mezclados (combinación de 2 o más polvos distintos cuya aleación ocurre por
difusión durante la sinterización). Nivel de impurezas y composición de la muestra.
III.-Polvos pre-aleados (micro-casting o aleado mecánico de múltiples elementos)
Algunas técnicas de caracterización de la composición química:
Espectrometría de absorción atómica
Difracción de rayos X
Fluorescencia de rayos X
Microscopía Electrónica de Barrido y EDS
COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA (METAL MATRIX COMPOSITES)
Son metales que tienen una dispersión de una fase no metálica finamente dividida y se conocen
desde hace muchos años. La idea es proveer el mismo fortalecimiento que se produce mediante el
endurecimiento por precipitación, sin el inconveniente que la segunda fase entre en solución a
medida que aumenta la temperatura, limitando así la temperatura de operación.
Un primer ejemplo fue el polvo de aluminio sinterizado (SAP, Sintered Aluminium Powder), que
fue hecho mediante el prensado y sinterizado de polvo de aluminio de morfología de hojuelas
(“flake”) fuertemente oxidado. El material sinterizado fue posteriormente trabajado en caliente
para romper las películas de Al2O3 y dispersarla en forma finamente dividida.
Hubo algunas mejoras en las propiedades, pero no fue suficiente para hacer económico el uso a
gran escala.
Sin embargo, la imagen cambió dramáticamente a medida que se desarrollaron nuevos
procedimientos para obtener dispersiones mucho más finas de la fase no metálica. Los
compuestos de matriz metálica (MMC), como se llaman ahora tales materiales, representan un
gran paso adelante en la búsqueda de mejores materiales, es decir, con mejores propiedades
mecánicas especialmente a elevadas temperaturas. La Pulvimetalurgia es la vía más importante
por la cual se producen tales compuestos.
En la mayoría de los casos desarrollados hasta ahora, la fase de fortalecimiento es un óxido
estable usualmente de otro metal, y el término ODS (“Oxide Dispersion Strengthening”) -
fortalecimiento por dispersión de óxido - es de uso diario.
Una serie de procesos diferentes están disponibles para la producción de las muy finas
dispersiones que se requieren.
En un proceso, se calienta una aleación de la matriz metálica con el metal que forma el óxido
estable en una atmósfera que es reductora para la matriz metálica, pero oxidante para el segundo
metal. Este último se convierte en un óxido uniformemente distribuido por toda la matriz.
En el caso de los metales preciosos - Ag, Pt, etc. - se puede utilizar el calentamiento al aire y ahora
se utilizan ampliamente un rango de materiales de contacto eléctrico consistentes en plata con
una dispersión de, por ejemplo, óxido de Cd, óxido de Sn y/u óxido de In.
La oxidación interna, como se llama el proceso, se produce como consecuencia de la difusión de
oxígeno a través de una red de plata y con secciones largas, este es un proceso prolongado.
Sin embargo, si se usa polvo, un ciclo de oxidación relativamente corto es necesario así que el
prensado y sinterizado del polvo internamente oxidado es el mejor procedimiento. En este caso, el
objetivo no es mejorar la resistencia sino las propiedades eléctricas, es decir, la resistencia al
contacto de la soldadura.
En otros casos, la matriz metálica a veces en forma de una sal se mezcla con la solución de una sal
del metal con el óxido más estable y la mezcla se calienta en una atmósfera que es reductora para
la matriz metálica pero oxidante para el segundo metal. Los ODS de platino y tungsteno se hacen
de esta manera.
Otros compuestos utilizan fibras como agente de refuerzo.
Un proceso nuevo que representó un gran paso adelante en materiales para aplicaciones de muy
alta temperatura, en particular las turbinas de gas para motores a reacción, fue el aleado
mecánico.
ALEADO MECANICO
Este proceso consiste en la molienda, usualmente en molinos: Horizontales, Attritor o Planetario,
de una mezcla de polvo metálico y un material refractario por largos períodos de tiempo durante
los cuales las partículas refractarias se rompen y se incorporan en el metal. El polvo “aleado” es
posteriormente compactado, sinterizado, y normalmente trabajado por extrusión o laminación en
caliente.
Superaleaciones hechas de esta manera se encuentran en servicio, y aleaciones de aluminio
aleado mecánicamente también han sido desarrolladas. En el caso del aluminio, otra aleación
mecánica se realiza mediante un proceso de molienda similar partiendo de una mezcla de polvo
de aluminio y grafito, que, durante el proceso de molienda, se incorpora en el metal como carburo
de aluminio Al4C3.
Molinos normalmente utilizados:
Figura 14 Molinos de bolas horizontal y molino Attritor
La molienda Mecánica es una técnica de procesamiento de polvos en el estado sólido en que las
fracturas y soldaduras en frío de las aleaciones o metales particulados ocurren en forma
repetitiva al interior de un molino de alta energía.
La Molienda Mecánica (MM) se diferencia del Aleado Mecánico (AM), en función del objetivo
final que se persigue y los tiempos requeridos para ambos procesos u objetivos
MOLIENDA MECANICA (MM)
Sólo mezclado, reducción de tamaño de las partículas o dispersión de partículas duras tipo
cerámicas. Los tiempos empleados son ½ tiempo requerido para aleado mecánico (AM). Variantes
son Molienda criogénica empleando líquido como nitrógeno que favorece la fractura frágil, pero
puede contaminar superficialmente.
ALEADO MECANICO (AM)
El aleado mecánico busca generar una aleación (solución sólida) o la formación de un compuesto
por medio de una reacción química en el estado sólido. Este proceso permite extender la
solubilidad en aquellos sistemas donde no existe solubilidad entre los elementos. La reacción que
ocurre durante la molienda está controlada muchas veces por la atmósfera y el agente controlador
incorporado (PCA). Ejm:Ti+nitrógeno => TiN, W+Cg => WC
VARIABLES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE ALEACIONES O MATERIALES COMPUESTOS
MOLIDOS EN FUNCION DEL TIPO DE MOLINO
Tipo de Molino
*Tiempo de molienda
* Velocidad rpm
* Razón de carga: masa bolas/masa polvo
* Material de bolas y contenedor
* Atmósfera interior jarro.
* Dispersante utilizado (PCA)
* Fracción de volumen del dispersante
VELOCIDAD DE MOLIENDA
Existe una velocidad crítica de giro (rpm) que favorece la reducción del tamaño de partícula.
En molinos del tipo planetario y attritor:
Una velocidad de giro mayor a la crítica mantiene las bolitas a una cierta altura del contenedor y
no favorece la molienda (sólo fricción entre bolas-paredes, desgaste del contenedor).
Una velocidad de giro muy inferior a la crítica, reduce la energía de impacto de las bolas y no
permite reducir o refinar el tamaño de partícula a valores deseados, lo cual obliga incrementar el
tiempo de molienda.
Una alta velocidad critica de molienda; aumenta la temperatura del sistema, incrementa la
contaminación y acelera algún proceso de transformación de fases metaestable deseada o no
deseada.
La razón de carga usada tiene influencia en la reducción del tamaño de partícula pero también en
la contaminación del producto aleado.
Agente controlador de la Molienda
Se debe incorporar un agente del tipo hidrocarburo para controlar la molienda en materiales
dúctiles, como: Al, Cu, Mg, Fe, Ti. Este agente reduce la soldadura entre partículas y enfría la
mezcla. Agentes utilizados:
ALCOHOL ETILICO, ETHYLEN-GLYCOL, METANOL, EN PROPORCION 3-5%VOL.
Otra clase de material sinterizado trabajado que está empezando a hacer impacto se basa en
material particulado - polvo o cinta picada - que se ha solidificado y enfriado a una velocidad muy
alta de tal manera que se obtiene una microestructura metaestable de no equilibrio. Puede ser
microcristalina o amorfa.
El proceso sólo es aplicable a ciertas aleaciones, y una característica importante es que la matriz
metálica pueda retener en una solución sólida un porcentaje mucho más alto del elemento de
aleación que el de equilibrio.
Siempre que la densificación y el trabajado mecánico se lleven a cabo a una temperatura
suficientemente baja como para evitar la destrucción de la estructura de no-equilibrio, se pueden
obtener propiedades mecánicas notablemente mejoradas.
PRODUCCIÓN DE PIEZAS SINTERIZADAS
La secuencia general de operaciones que intervienen en el proceso pulvimetalúrgico se muestra
esquemáticamente en la figura. 1. Los componentes en polvo se mezclan con un lubricante hasta
que se obtiene una mezcla homogénea. Luego se deposita la mezcla en una matriz donde es
compactada bajo presión, siendo posteriormente sinterizado el compacto. Una excepción es el
proceso de fabricación de elementos de filtro a partir de polvo de bronce de morfología esférica,
donde no se utiliza ningún tipo de presión; el polvo simplemente es acomodado en un molde con
la forma deseada en el cual es sinterizado. Este proceso se conoce como sinterización del polvo
suelto.
Mezclado: El objetivo del mezclado es proporcionar una mezcla homogénea y la incorporación
del lubricante. Los lubricantes más populares son el ácido esteárico, estearina, estearatos
metálicos, especialmente el estearato de zinc, litio y cada vez más otros compuestos orgánicos de
naturaleza cerosa. La principal función del lubricante consiste en reducir la fricción entre la masa
de polvo y las superficies de las herramientas - las paredes del molde, las barras de núcleo (“core
rods”, parte del molde utilizada para hacer un hoyo en el compacto, etc. - por las que el polvo
debe deslizarse durante la compactación. Se facilita así el alcance de la uniformidad de la densidad
deseada desde la parte superior hasta la inferior de los compactos. De igual importancia es el
hecho de que la reducción de la fricción también facilita la eyección (o expulsión) de los
compactos, minimizando así la tendencia a formar grietas.
Se ha sugerido que una función adicional del lubricante es ayudar a que las partículas se
deslicen entre ellas, pero parece dudoso si es que este factor es de mucha importancia - se
pueden obtener buenos compactos sin incorporar ningún tipo de lubricante a la mezcla, por
ejemplo, utilizando la lubricación de las paredes del molde o la compresión isostática. Es necesario
tener cuidado en la selección de lubricante, ya que éste puede afectar negativamente tanto a la
resistencia del cuerpo verde como a la del compacto sinterizado, especialmente si queda cualquier
residuo después de la descomposición de la parte orgánica.
Debe evitarse mezclar el polvo más de la cuenta, puesto que esto hace aumentar la
densidad aparente de la mezcla. Además, mezclar más de la cuenta por lo general promueve la
reducción de la resistencia en verde de los compactos posteriores, probablemente porque se
recubre por completo la superficie de las partículas, reduciendo así el área de contacto metal con
metal, de la cual depende la resistencia en verde.
Las propiedades de flujo también se deterioran y un buen flujo es esencial para la
siguiente etapa, es decir, la carga del polvo en la matriz (o molde). En el caso especial de los
carburos cementados, el proceso de mezcla se lleva a cabo en un molino de bolas, siendo uno de
los objetivos el recubrir las partículas individuales con el metal aglutinante (binder metal), por
ejemplo con cobalto, pero como los polvos muy finos involucrados no fluyen, la mezcla se granula
posteriormente para formar los aglomerados.
En relación al Binder (Liga) se puede comentar:
Existen partículas de tamaño 0,5-15 μm que se usan para facilitar el proceso de sinterización en cuanto a la etapa de densificación de la sinterización
Ligas, son polímeros termoplásticos combinados con agua y una variedad de substancias orgánicas. Las Ligas comunmente usadas son:
70% parafina sólida- cera y 30% polipropileno con lubricante adecuado.
Una liga debe fundirse completamente a 150ºC, donde el % de liga puede alcanzar hasta el 40% vol. de la mezcla.
En aceros el % de liga usada es del orden del 6%.
La liga debe llenar (cubrir) todos los espacios libres y el lubricante sirve para minimizar la fricción.
Como lubricante; estearato o grafito (Cuando se requiere adicionar grafito)
Otros tipos de LIGAS
a.) Agar gel que proviene de algas marinas ( seaweed). se usa mucho en procesos slip casting.
b.) Sulfato hidratado de Ca (deja poros de 0,1 μm de tamaño aprox.) c.) Agua – alginatos surfactantes d.) Surfactantes e.) Soluciones de celulosas o polivinyl alcohol, polimeros disueltos en soluciones comunes.
Prensado (o compactación): La mezcla de polvos se compacta a la forma deseada en una matriz
de acero rígido o de carburo bajo presiones de 150-900 MPa. En esta etapa, los compactos
mantienen su forma en virtud de la soldadura en frío (cold-welding) de los granos de polvo dentro
del volumen (o la masa) de polvo. Los compactos deben ser lo suficientemente fuertes para
soportar la expulsión desde la matriz y el posterior manejo antes de la sinterización. Esta es una
operación crítica en el proceso, puesto que la forma final y las propiedades mecánicas quedan
determinadas esencialmente por el nivel y la uniformidad de la densidad del compacto prensado.
Los polvos bajo compresión no se comportan como líquidos, la presión no se transmite
uniformemente y hay muy poco flujo lateral de polvo dentro de la matriz. Por lo tanto, la
consecución de densidades satisfactorias depende en gran medida del diseño de la herramienta
de compresión.
La presión máxima de compactación permisible es controlada por la necesidad de evitar fallas de
la herramienta. Para piezas de geometrías complejas de múltiples niveles, punzones delgados y
frágiles en el montaje de la herramienta requerirían que las presiones estuvieran limitadas a un
máximo de 600 MPa. Sin embargo, para piezas de geometrías "más gruesas" que no requieren
punzones delgados, se ha encontrado que es posible utilizar presiones de 1.000 MPa o más. Esta
Compactación en Frío de Alta Presión ha permitido introducir piezas de mayores densidades (y por
lo tanto, un mayor rendimiento) en aplicaciones tales como engranajes de arranque, anillos
sincronizadores y lóbulos de leva.
Diseño de Herramientas: Se debe prestar atención a los siguientes factores de diseño en vista del
limitado flujo lateral y la necesidad de expulsar el cuerpo verde en la dirección de compresión.
(1) Razón longitud a ancho. La presión aplicada y por ende, la densidad disminuye a través de la
longitud del compacto. La compactación por dos extremos “double-ended” (arriba y abajo) ayuda
a emparejar la distribución de presiones, pero aún deja una región de menor densidad en la
sección central de la pieza. Razones de longitud a ancho superiores a 3:1 no son recomendables.
(2) Ranuras de reentrada. Conos inversos y agujeros laterales no pueden moldearse en compactos
de polvo debido a que su expulsión es imposible. Por lo tanto, esas secciones deben ser
mecanizadas posteriormente, a pesar que se han diseñado y patentado conjuntos elaborados, a
veces moldes flexibles, para superar esta limitación.
(3) Los biseles requieren herramientas afiladas, que son frágiles y se fracturan con facilidad, así
que si el diseño lo permite, el borde biselado del componente debe terminar en un pequeño
plano.
(4) Se debe evitar los cambios abruptos de sección ya que introducen elevadores de esfuerzo, que
pueden conducir a la formación de grietas como consecuencia de las tensiones inducidas por la
expansión-contracción elástica que ocurre mientras el compacto es expulsado de la matriz.
(5) En una primera aproximación el tamaño de la pieza que se puede fabricar es una función
directa de la capacidad de la prensa disponible, pero la complejidad de la pieza y el número de
movimientos de punzado necesarios también influyen en la ecuación. Estos mismos factores son
relevantes también en la velocidad de producción: mientras más simple es la pieza más fácil es
comprimirla a mayor velocidad. Con tales piezas se han alcanzado velocidades tan altas como 1
pieza por segundo utilizando prensas mecánicas. Las prensas hidráulicas permiten usar mayores
presiones - hasta 5.000 toneladas - pero las velocidades son necesariamente mucho menores,
siendo 10 piezas por minuto una velocidad representativa bastante alta en piezas de geometría
relativamente sencilla.
Ya se ha indicado que, debido a las fuerzas de fricción creadas entre los granos de polvo y
las paredes de la matriz, hay una reducción progresiva de la presión transmitida y por lo tanto, de
la densidad alcanzada a través de la longitud de la pieza. Será obvio que la importancia de este
factor aumenta a medida que aumenta el tamaño de los compactos, y es uno de los factores que
limitan el tamaño de las piezas sinterizadas que pueden producirse económicamente.
Estos efectos se minimizan mediante el mejoramiento de la lubricación y mediante la
compactación por dos extremos, y muchas máquinas incorporan movimientos de punzado
múltiple que operan desde arriba y abajo de la matriz. Los mismos resultados generales pueden
obtenerse con prensas de punzado simple usando un montaje de matriz flotante. Es posible
continuar con el movimiento descendente de la matriz después de la compactación, con tal de
retirar la matriz del compacto en lugar de eyectar el compacto con un movimiento hacia arriba del
punzón inferior.
La dependencia entre la densidad en verde y la presión de compactación sigue una
relación hiperbólica y por ende, existe una presión práctica óptima por encima de la cual una
densificación adicional es insignificante y el desgaste de la herramienta se vuelve severo.
Otra característica que limita la densidad que se puede lograr es la presencia del
lubricante. Aunque se agrega normalmente en cantidades no mayores a un 1% en peso, el
volumen puede ser de un 5% o más, de modo que incluso si no hay espacios vacíos en el
compacto, la densidad no podría exceder del 95%. Este problema se supera mediante el uso de la
lubricación de las paredes de la matriz, compactando mezclas de polvo sin lubricante. Pero hasta
ahora las dificultades prácticas de aplicar el lubricante, el cual debe renovarse antes de cada
llenado de la matriz, ha limitado el uso de este proceso a algunos casos especiales donde se
necesita una alta densidad.
Herramientas: Las partes básicas de un conjunto de herramientas son la matriz, en la que se
introduce el polvo, y los punzones, que se utilizan para aplicar la presión de compactación. Si,
como suele ser el caso, la pieza tiene agujeros que la atraviesan, estos se moldean mediante
barras de núcleo (core rods) ubicadas en la matriz antes de la introducción del polvo. Punzones
múltiples actuando de forma independiente se utilizan si el componente que está siendo
compactado tiene diferentes niveles. La matriz y las barras de núcleo forman el contorno del
compacto paralelo a la dirección de compresión, y debe, por supuesto, estar libre de resaltos
salientes y entrantes perpendiculares a la dirección de compresión, de lo contrario sería imposible
expulsar el compacto de la matriz.
Los materiales utilizados son aceros de herramienta endurecidos o metales duros
(carburos cementados). El uso de carburos más caros está aumentando debido a la mayor
duración que ofrecen, y debido al creciente costo de los cambios de herramienta, tanto en
pérdidas de producción como en los costos en mano de obra. Los aceros rápidos PM están
encontrando cada vez mayor aplicación en este campo. Por supuesto que para partidas cortas las
matrices de acero ordinario pueden ser más económicas.
La importancia de la precisión dimensional y un acabado superficial de alta calidad apenas
necesita ser enfatizado, teniendo en cuenta que una de las principales características que
justifican el uso de piezas sinterizadas es la capacidad de producirlas con precisión en cuanto a
tamaño y con un acabado superficial que elimine la necesidad de operaciones de mecanizado
posteriores.
La vida de la matriz es otro aspecto importante, y aquí es imposible dar más de una
indicación. La vida no sólo depende de qué material está siendo prensado y a qué densidad, de
qué lubricación se dispone y el grado de desgaste de matriz que se puede tolerar, sino también de
la habilidad del manipulador de la herramienta y la complejidad de las herramientas. Con matrices
de acero se pueden fabricar hasta cerca de 200.000 compactos, con matrices de carburo es
posible obtener 1.000.000 de piezas o más.
Compactación en Tibio: Es una variante en el proceso de compactación que implica el pre-
calentamiento tanto de la materia prima en polvo como de las herramientas de compactación a
alrededor de 130°C. Esto permite que la densidad en verde aumente de 0,1 a 0,3 g/cm3, en
comparación con la compactación en frío convencional, dando como resultado mejoras en las
propiedades mecánicas en un 10-20%.
Varios sistemas de calefacción para el polvo y las herramientas han sido desarrollados y
son ofrecidos por un número de proveedores de prensas, a menudo para ser incorporados a las
prensas existentes.
Varios cientos de aplicaciones de componentes ya están en producción. Muchos de estos
son diversos tipos de engranajes helicoidales para herramientas eléctricas de mano, pero las
aplicaciones automotrices incluyen ruedas dentadas, anillos sincronizadores y distintos ejes.
Compactación en Caliente (sinterización a presión): Si bien la mayor parte de las piezas
sinterizadas se fabrica compactando la mezcla de polvos a temperatura ambiente seguido por la
sinterización, en ciertos casos se utiliza la compactación en caliente. A temperaturas elevadas los
metales son más suaves y por lo tanto, normalmente es posible prensar hasta una densidad
mucho mayor, sin aumentar la presión requerida. Se puede prescindir de una operación de
sinterización por separado, pero esto no es general porque el prensado en caliente sólo se justifica
por las propiedades significativamente mejores obtenidas y una etapa de sinterización posterior
casi siempre mejora las propiedades. El uso del proceso está limitado por su costo mucho mayor:
se requieren matrices especiales resistentes al calor, una atmósfera controlada puede ser
necesaria y las velocidades de producción son, relativamente muy lentas; pero se utiliza para la
producción de herramientas de corte de metal duro y diamante, las cuales son, en todo caso,
materiales costosos.
Fig. 15 Compactación Unidireccional en Caliente
Fig. 16 Proceso Compactación Isostática en caliente “HIP”
Fig. 17 Ciclo calentamiento en Compactación Isostática en caliente “HIP”
Figura 18 Extrusión en caliente
Fig. 19 Sinterización y Laminación de polvo
APLICACIONES INTERESANTES
