Tema 5.1. Pulvimetalurgia.pdf

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Ingeniería de Fabricación Grado en Ingeniería Mecánica Grado en Ingeniería Electrónica Industrial Grado en Ingeniería Eléctrica Grado en Ingeniería de Organización Industrial Tema 5.1 Pulvimetalurgia Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera Escuela Politécnica Superior de Jaén Curso Académico 2020-2021 (Segundo Cuatrimestre)  CONTENIDOS 1. Introducción 2. Características de los polvos metálicos 3. Fabricación de polvos metálicos 4. Procesados de polvos metálicos 5. Aplicaciones 1. Introducción Clasificación de los procesos de fabricación Fundición Permiten modificar la geometría, las propiedades Deformación Plástica y el aspecto del material de CONFORMADO Mecanizado trabajo MEJORA DE Otros procesos de conformado PROCESADO PROPIEDADES Tratamientos Térmicos PROCESADO DE SUPERFICIES Limpieza y Tratamiento Superficial PROCESOS DE Recubrimiento y Deposición FABRICACIÓN Soldadura UNIONES PERMANENTES Pegado por Adhesivos ENSAMBLES Permiten unir componentes Fijaciones Permanentes UNIONES para crear nueva entidad Fijaciones Roscadas MECÁNICAS 3 1. Introducción Concepto de pulvimetalurgia (powder metallurgy) Proceso de fabricación de componentes, metálicos, no metálicos, o mezcla de ambos, a partir de polvos de materiales, los cuales se comprimen para reproducir la forma deseada y se calientan, sin superar el punto de fusión, para que se produzca la unión de las partículas. PRESIÓN  FORMA CALOR  PROPIEDADES 4 1. Introducción APLICACIÓN EJEMPLOS DE USO abrasivos ruedas polidoras metálicas, equipos de molienda agricultura covertores de semillas, equipos de jardín y cesped, aspersores aeroespacial motores de jet, escudos de calor, boquillas de turbina automóviles válvulas, engranes, varillas, rodamientos auto-lubricantes, engranes de transmisión químicos colorantes, filtros, catalíticos construcción techado de asfañto, calafatear eléctrico contactos, conectores, filamentos de tungsteno electrónico, hardware tintas, paquetes microelectrónicos, lavatorios de calor tratamiento de calor calderas, termopares, bandejas de correa industrial absorción de sonido, herramientas de corte uniones soldadores, electrodos, llenado de soldadura lubricación grasas magnético relays, imanes, núcleos manufactura moldes, herramientas, rodamientos medicina/dental implantes de cadera, fórceps, amalgamas, implantes dentales metalúrgico recubrimiento metálico, aleaciones nuclear escudos, filtros, reflectores, elementos de combustibles equipos de oficina copiadores, cámaras, fotocopiadores artillería fusiles, munición, penetradores personal vitaminas, cosméticos, jabones, lápices, pilas recargables petroquímico catalíticos, brocas plásticos herramientas, moldes, llenadores, cemento, superficies de desgaste imprenta tintas, laminates pirotécnicos explosivos, combustible, colorantes, bengalas 5 1. Introducción 6 1. Introducción VENTAJAS LIMITACIONES Se produce con la forma final, o casi final, Los equipos y herramientas son muy eliminando la necesidad de operaciones de costosos, por lo que son necesarios elevados acabado niveles de producción Son procesos automatizables El coste del polvo metálico es muy elevado Se pueden fabricar componentes con un nivel Presenta dificultades para la manipulación y específico de porosidad almacenaje del polvo Permite el procesado de determinados En ocasiones se presentan variaciones de materiales a los que no pueden aplicarse densidad, sobre todo en el caso de geometrías otros procedimientos complejas Permite obtener elevadas características El tamaño de las piezas debe ser reducido dimensionales y geometrías complejas No se producen apenas desperdicios, Existen limitaciones de forma, debido a la aprovechándose casi el 97% del producto inicial dificultad en la fluencia del material. 7 1. Introducción  Prensado isostático frío Etapas  Prensado  Laminado  Acuñado  Extrusión  Atmósfera al vacío  Mecanizado Aditivos lubricantes  Impregnación… COMPACTACIÓN SINTERIZADO EN FRÍO OPERACIONES POLVOS SECUNDARIAS Y MEZCLADO DE ACABADO METÁLICOS COMPACTACIÓN  Atomización EN CALIENTE  Reducción  Prensado isostático caliente  Deposición electrolítica  Trituración 8 2. Características de los polvos metálicos Definición: sólido dividido en partículas finas Características: determinan las propiedades finales de la pieza 1º) Pureza y composición química 2º) Tamaño de partícula y distribución 3º) Densidad, factor de empaquetamiento y porosidad 4º) Fricción entre partículas y características del flujo 9 2. Características de los polvos metálicos 1º) Pureza y composición química Elementales: Metal puro (Fe, Cu, Al). Se necesitan por una de sus características específica Pueden mezclarse con otros polvos metálicos Prealeados: Cada partícula es una aleación Acero inoxidable, aleaciones de cobre, W, Mo,.. 2º) Tamaño de partícula y distribución Influyen de forma notable en el producto final Muy grandes: no presentan la estructura deseada Muy pequeñas: difíciles de manipular tienden a aglomerarse Idóneo: Mayor relación A/V → mayor A contacto → mayor cohesión Efecto sobre resistencia, porosidad, permeabilidad,.. Tamaño: 5 – 200 µm Cribas para determinar tamaño: índice de malla (nº aberturas/área unitaria) 10 2. Características de los polvos metálicos Formas de las partículas y procesos para obtenerlas Unidimensional Bidimensional Acicular Barra irregular Hojuela Dendrítica (descomposición (descomposición (descomposición (electrolítica) química) química, molienda química, molienda mecánica) mecánica) Tridimensional Esférica Irregular Redondeada Porosa (reducción Angular (atomización, (descomposición (descomposición de óxidos) (desintegración precipitación en un química, química, mecánica) líquido) atomización) atomización) 11 2. Características de los polvos metálicos Fotografía en microscopio electrónico de Superaleación a base de níquel obtenida por el barrido de partículas de polvo de hierro método del electrodo rotatorio obtenidas por atomización 12 2. Características de los polvos metálicos 3º) Densidad, factor de empaquetamiento y porosidad Densidad real (r): densidad masa sólida (sin incluir los poros) Densidad aparente (ra): densidad incluyendo el efecto de los poros Factor de empaquetamiento: relación F = ra /r = Vsin poros / Vtotal valores usuales 0,5-0,7 depende del tamaño y distribución de las partículas Se refuerza con vibración y presión externa en la compactación Porosidad: Relación volumen poros/volumen total = 1 - F abiertos: externos a las partículas cerrados: vacíos internos en su estructura 4º) Fricción entre partículas y características del flujo Rozamiento → dificulta fluencia → densidad heterogénea Factor de flujo adecuado → llenado rápido ,uniforme y menor fricción Empleo de lubricantes para facilitar el flujo y reducir fricción 13 3. Fabricación de polvos metálicos Objetivo: producir tamaños, formas y pureza requeridos Métodos de producción Desintegración Métodos Atomización Electrólisis mecánica químicos Gas Reducción Agua Precipitación Centrífuga Condensación 14 3. Fabricación de polvos metálicos Atomización Metales de bajo punto de fusión: Pb, Sn, Al,.. Gas, agua, centrífuga Desintegración - Materiales frágiles mecánica Electrólisis - Alta pureza 15 4. Procesado de polvos metálicos Fases en la fabricación de una pieza mediante pulvimetalurgia 1º Acondicionamiento y selección 2º Mezclado 3º Compactación 4º Sinterizado 5º Acabado 16 4. Procesado de polvos metálicos 1º Acondicionamiento y selección Operaciones previas: Objetivo Garantizar pureza Uniformidad de dimensiones Capacidad para soportar condiciones de uso Operaciones Limpieza (eliminación de óxidos e impurezas) Secado a elevada Tª para completar eliminación de óxidos Se pueden generar cierto sinterizado → nuevo proceso para reducir tamaño Clasificación según tamaños (cribas) 2º Mezclado Objetivo Homogeneización: la mezcla ideal es aquella en la que las partículas de cada material se distribuyen uniformemente Se pueden mezcla polvos de la misma o diferentes composiciones Se pueden mezclar lubricantes, aglutinantes y activadores del sinterizado, obteniéndose: - menor fricción entre las partículas metálicas - mayor resistencia de las partes prensadas - mejor flujo de los metales en polvo hacia los moldes - mayor vida de las matrices 17 4. Procesado de polvos metálicos Se realiza por medios mecánicos a) Rotación en tambor b) Rotación en recipiente cónico doble c) Agitación en mezclador de tornillo d) Agitación en mezclador de paletas Mejores resultados con llenado de 20% - 40% 18 4. Procesado de polvos metálicos 3º Compactación Objetivo Transformar el polvo metálico para obtener la forma, densidad y contacto entre partículas necesarios Proceso Aplicación de alta presión Obtención de cuerpo verde (no está totalmente procesado) - densidad en verde > densidad inicial - recolocación más eficiente de los polvos, reducción de espacios de poros y aumento del número de contactos - deformación plástica de partículas → aumento área de contacto → reducción de poros → aumento densidad - resistencia en verde adecuada para manipulación (