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Instituto Tecnológico Superior de Puruándiro (ITESP) Ingeniería de Materiales No Metálicos 053A INGENIERÍA MECÁNICA Dr. Omar Sinhue Delgado Ramírez  5 Metalurgia de polvos...

Instituto Tecnológico Superior de Puruándiro (ITESP) Ingeniería de Materiales No Metálicos 053A INGENIERÍA MECÁNICA Dr. Omar Sinhue Delgado Ramírez  5 Metalurgia de polvos Compactación En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un dado. Los pasos en el ciclo de prensado se muestran en la figura 5.1 FIGURA 5.1 Prensado, el método convencional de Compactación de polvos (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) 5 Compactación La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un reempaquetamiento de los polvos en un arreglo más eficiente, eliminando los “puentes” que se forman durante el llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el número de puntos de contacto entre las partículas. Al incrementarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto interparticular aumente y entren en contacto partículas adicionales. Esto viene acompañado de una reducción posterior del volumen de los poros. La progresión se ilustra en la figura 5.2. Efecto de la presión aplicada durante la compactación: 1) polvos sueltos iniciales después del llenado, 2) reempaquetamiento y 3) deformación de las partículas 5 Compactación Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia de polvos son mecánicas, hidráulicas o una combinación de las dos. En la figura 5.3 se muestra una unidad hidráulica de 450 kN (50 ton). Debido a diferencias en la complejidad de las piezas asociadas a los requerimientos de prensado, las prensas se pueden clasificar en 1) prensado en una dirección, con prensas de acción simple; o 2) prensado en dos direcciones, con prensas de varios tipos, incluyendo las de arietes hidráulicos opuestos, de doble acción o de múltiple acción. FIGURA 5.3 Prensa hidráulica de 450 kN (50 ton) para compactación de componentes de metalurgia de polvos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) 5 Compactación La capacidad de una prensa para producción en PM se da generalmente en toneladas, o kN o MN. La fuerza requerida para el prensado depende del área proyectada de la pieza (área en el plano horizontal para una prensa vertical) multiplicada por la presión necesaria para compactar los polvos del metal. Expresando esto en forma de ecuación, 𝐹 = 𝐴𝑝 𝑝𝑐 donde F = fuerza requerida, N (lb); Ap = área proyectada de la pieza, mm2 y pc = presión de compactación requerida para el material en polvo específico, Mpa. Las presiones típicas de compactación fluctúan entre 70 MPa para polvos de aluminio y 700 MPa para polvos de hierro y acero. Sinterizado El sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se ejecuta sobre el compactado para unir sus partículas metálicas, 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 fusión del metal (en una escala absoluta). El término sinterizado en estado sólido o sinterizado en fase sólida se usa algunas veces para este sinterizado convencional debido a que el metal permanece sin fundir a la temperatura del tratamiento. Sinterizado Mientras más fino sea el polvo inicial, más alta será la superficie del área total y más grande la fuerza que mueve al proceso. La serie de dibujos en la figura 5.4 muestra en escala microscópica los cambios que ocurren durante el sinterizado de los polvos metálicos. El sinterizado implica transporte de masa para crear los cuellos y transformarlos en límites de grano. El principal mecanismo para que esto ocurra es la difusión; otro posible mecanismo es el flujo plástico. La contracción de la pieza volumétrica ocurre durante el sinterizado como resultado de la reducción del tamaño de los poros. Esto depende en gran medida de la densidad del compactado en verde, y ésta a su vez de la presión durante la compactación. Cuando las condiciones del procesamiento se controlan estrechamente, la contracción generalmente es predecible. FIGURA 5.4 Sinterizado a escala microscópica: 1) la unión de las partículas se inicia en los puntos de contacto, 2) los puntos de contacto crecen para convertirse en “cuellos”, 3) los poros entre las partículas reducen su tamaño y 4) se desarrollan límites de grano entre las partículas, en las regiones donde había cuellos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) Sinterizado Dado que las aplicaciones de la PM involucran generalmente producciones que van de medianas a altas, la mayoría de los hornos de sinterizado se diseñan con dispositivos mecanizados para el traslado de las piezas de trabajo durante el proceso. El tratamiento térmico consiste en tres pasos realizados en tres cámaras de hornos continuos: 1) precalentado, en el cual se queman los lubricantes y los aglutinantes, 2) sinterizado y 3) enfriado. El tratamiento se ilustra en la figura 5.5 FIGURA 5.5 Ciclo típico de tratamiento térmico durante el sinterizado (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) Las temperaturas típicas y los tiempos de sinterizado en metales Sinterizado En la práctica moderna del sinterizado se controla la atmósfera del horno. Los propósitos de la atmósfera controlada son: 1) proteger de la oxidación 2) proporcionar una atmósfera reductora para remover los óxidos existentes 3) suministrar una atmósfera carburante 4) ayudar a la remoción de los lubricantes y aglutinantes que se usan en el prensado Las atmósferas de los hornos de sinterizado comunes son: de gas inerte, basadas en nitrógeno, de amoniaco disociado, de hidrógeno y basadas en gas natural. Las atmósferas al vacío se usan para ciertos metales como los aceros inoxidables y el tungsteno. Operaciones secundarias Para completar la pieza, pueden requerirse operaciones secundarias de PM; éstas incluyen la densificación, el dimensionamiento, la impregnación, la infiltración, el tratamiento térmico y el acabado. Densificación y dimensionamiento Numerosas operaciones secundarias pueden ejecutarse sobre la pieza prensada y sinterizada para aumentar la densidad y mejorar la precisión, o para lograr formas adicionales. El reprensado es una operación de prensado en la cual se aprieta la pieza en un dado cerrado para aumentar la densidad y mejorar las propiedades físicas. El dimensionamiento es la compresión de una pieza sinterizada para mejorar su precisión dimensional. El acuñado es una operación de prensado sobre una pieza sinterizada para imprimir detalles en su superficie. Algunas piezas sinterizadas requieren un maquinado posterior. Rara vez se utiliza el maquinado para dimensionar las piezas, más bien se usa para crear características geométricas que no se pueden lograr por prensado, como son cuerdas internas o externas, perforaciones laterales y otros detalles. Operaciones secundarias Impregnación e infiltración La porosidad es una característica única e inherente a la tecnología de metalurgia de polvos. Ésta se puede aprovechar para crear productos especiales, llenando el espacio disponible en los poros con aceite, polímeros o metales que tienen un punto de fusión más bajo que la base del metal en polvo. Impregnación es el término que se usa cuando se introduce aceite u otro fluido dentro de los poros de una pieza sinterizada. Los productos más comunes de este proceso son los cojinetes impregnados con aceite, los engranes y componentes similares de maquinaria. Los cojinetes autolubricados, fabricados usualmente de bronce o hierro con 10 a 30% de aceite en volumen, se usan ampliamente en la industria automotriz. Los tratamientos se realizan mediante inmersión de las piezas sinterizadas en un baño de aceite caliente. Operaciones secundarias La infiltración es una operación en la cual se llenan los poros de las piezas de PM con un metal fundido. El punto de fusión del metal de relleno debe ser menor que el de la pieza. El proceso implica calentar el metal de relleno en contacto con el componente sinterizado de manera que la acción de capilaridad haga fluir al relleno dentro de los poros. La estructura resultante es relativamente no porosa y la pieza infiltrada tiene una densidad más uniforme, así como una tenacidad y una resistencia mejoradas. Una aplicación de este proceso es la infiltración con cobre de las piezas con PM de hierro sinterizado. Operaciones secundarias Tratamiento térmico y acabado Los componentes de polvos metálicos pueden tratarse térmicamente y terminarse por la mayoría de los mismos procesos que se usan en las piezas producidas por fundición y otros procesos de trabajo de metales. Debido a la porosidad de las piezas sinterizadas, se debe tener cuidado con algunos de estos tratamientos, por ejemplo, no deben usarse los baños de sales para calentar estas piezas. Se pueden aplicar a las piezas sinterizadas operaciones de deposición y recubrimiento con fines de apariencia y resistencia a la corrosión. Se debe tener cuidado para evitar que las soluciones químicas queden atrapadas en los poros; frecuentemente se usan la impregnación y la infiltración para este propósito. Las deposiciones comunes para piezas sinterizadas incluyen cobre, níquel, cromo, zinc y cadmio. Alternativas de prensado y técnicas de sinterizado Prensado isostático Una característica del prensado convencional es que la presión se aplica uniaxialmente. Esto impone limitaciones sobre la forma de la pieza, ya que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección perpendicular a la aplicación de la presión. El prensado uniaxial produce también variaciones de densidad en la compactación, después del prensado. En el prensado isostático, la presión se aplica en todas direcciones contra los polvos contenidos en el molde flexible; para lograr la compactación se usa la presión hidráulica. El prensado isostático puede hacerse de dos formas: 1) prensado isostático en frío y 2) prensado isostático en caliente. Prensado isostático en frío Es un compactado que se realiza a temperatura ambiente. El molde, hecho de hule u otro material elastómero, se sobredimensiona para compensar la contracción. Se usa agua o aceite para ejercer la presión hidrostática contra el molde dentro de la cámara. La figura 5.6 ilustra la secuencia del proceso en prensado isostático en frío. Las ventajas del CIP incluyen una densidad más uniforme, herramientas menos costosas y mayor aplicación a corridas cortas de producción. Es difícil lograr una buena precisión dimensional en el prensado isostático debido a la flexibilidad del molde. En consecuencia, se requieren operaciones de formado y acabado antes o después del sinterizado, para obtener las dimensiones requeridas. FIGURA 5.6 Prensado isostático en frío. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) Prensado isostático en caliente Se lleva a cabo a alta presión y temperatura, usando como medio de compresión un gas que puede ser argón o helio. El molde que contiene los polvos se hace de lámina de metal para resistir altas temperaturas. El HIP realiza en un paso el prensado y la sinterización. A pesar de esta aparente ventaja, es un proceso relativamente costoso y sus aplicaciones parecen concentrarse actualmente en la industria aeroespacial. Las piezas de PM hechas por HIP se caracterizan por su alta densidad (porosidad cercana a cero), unión interparticular completa y buena resistencia mecánica. Moldeo por inyección de polvos El moldeo por inyección se asocia estrechamente con la industria de los plásticos. Se puede aplicar el mismo proceso básico para formar piezas de polvos metálicos o cerámicos, la diferencia es que el polímero inicial contiene una alta proporción de materia particulada, típicamente entre 50 y 85% en volumen. En metalurgia de polvos se usa el término moldeo por inyección metálica. El proceso más general es el moldeo por inyección de polvos, que incluye polvos metálicos y cerámicos. En el MIM, los pasos son los siguientes: 1) los polvos metálicos se unen por un mezclado combinado con un aglutinante apropiado 2) se forman partículas granulares con la mezcla combinada 3) las partículas se calientan a la temperatura de moldeo, se inyectan en la cavidad de un molde y la pieza se enfría y retira del molde 4) se procesa la pieza para remover el aglutinante mediante varias técnicas térmicas o por solvente 5) la pieza se sinteriza 6) se ejecutan las operaciones secundarias que se requieran Moldeo por inyección de polvos El aglutinante actúa como un portador de partículas en el moldeo por inyección de polvos. Sus funciones son aportar características apropiadas de flujo durante el moldeo y sostener los polvos en la forma moldeada hasta el sinterizado. Los cinco tipos básicos de aglutinantes en PIM son; 1) los polímeros termofijos, como los fenólicos 2) los polímeros termoplásticos, como el polietileno 3) el agua 4) los geles 5) los materiales inorgánicos Los tipos que se usan con mayor frecuencia son los polímeros. El moldeo por inyección de polvos es apropiado para formar piezas similares a las del moldeo por inyección de plásticos. Su costo no es competitivo para piezas de simetría axial simple, ya que en estos casos es adecuado el método de prensado convencional y sinterizado. El PIM parece más económico para pequeñas piezas complejas de alto valor. La contracción que acompaña a la densificación durante el sinterizado limita la precisión dimensional. Laminado, extruido y forjado de polvos La laminación, la extrusión y la forja son procesos volumétricos característicos del formado de metales. Se describen en este contexto de la metalurgia de polvos. Laminación de polvos Los polvos pueden comprimirse en una operación de laminado para formar material metálico en tiras. El proceso se dispone comúnmente para operar de manera continua o semicontinua, como se muestra en la figura 5.7. Los polvos metálicos se compactan entre dos rodillos para formar una tira en verde con que se alimenta directamente a un horno de sinterizado. Después se enfría, se lamina y se vuelve a sinterizar. FIGURA 5.7 Laminado de polvos: 1) se introducen los polvos a través de los rodillos compactadores para formar una tira en verde, 2) sinterizado, 3) laminado en frío y 4) resinterizado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) Laminado, extruido y forjado de polvos Extrusión de polvos La extrusión es un proceso básico de manufactura. En la extrusión de polvos, el polvo inicial puede tener formas diferentes. En el método más popular, los polvos se colocan al vacío en una lata de lámina metálica hermética, se calientan y se extruyen junto con el recipiente. En otra variante, se preforman los tochos por un proceso de prensado convencional y sinterización, y después se extruyen en caliente. Estos métodos alcanzan un alto grado de densificación en los productos de PM. Forjado de polvos La forja es un proceso importante en el formado de metal. En el forjado de polvos, la parte inicial es una pieza de metalurgia de polvos preformada mediante prensado y sinterizado al tamaño apropiado. Las ventajas de este método son: 1) la densificación de la pieza de PM 2) el costo de las herramientas es más bajo y se requieren pocos “golpes” durante la forja (y por tanto mayor velocidad de producción), ya que la pieza inicial está preformada 3) poco desperdicio de material. Combinación de prensado y sinterizado Prensado en caliente La disposición de un proceso de prensado en caliente uniaxial es muy similar al prensado de PM convencional, excepto que el calor se aplica durante la compactación. El producto resultante es generalmente duro, denso, resistente y bien dimensionado. A pesar de estas ventajas el proceso presenta ciertos problemas técnicos que limitan su adopción. Los principales problemas son: 1) La selección del material del molde que pueda soportar las altas temperaturas de sinterización 2) Los largos ciclos de producción que se requieren para realizar la sinterización 3) El calentamiento y el mantenimiento de un control atmosférico en el proceso El prensado en caliente tiene algunas aplicaciones en la producción de productos sinterizados de carburo usando moldes de grafito. Combinación de prensado y sinterizado Sinterizado por chispas Es una alternativa que combina el prensado y el sinterizado, pero que supera algunos de los problemas del prensado en caliente. El proceso consiste en dos pasos básicos : 1) Los polvos o un compactado en verde preformado se colocan en un dado 2) Los punzones superior e inferior, que también sirven como electrodos, comprimen la pieza aplicando una corriente eléctrica de alta energía que al mismo tiempo quema los contaminantes de la superficie y sinteriza los polvos, y forma una pieza densa y sólida en cerca de 15 segundos El proceso se ha aplicado a varios metales. Materiales y productos para metalurgia de polvos Las materias primas para el procesamiento en metalurgia de polvos son más costosas que para otros trabajos en metal, debido a la energía adicional requerida para reducir el metal a polvo. Por consiguiente, la metalurgia de polvos solamente es competitiva en ciertos tipos de aplicaciones. En esta sección se identificarán los materiales y productos que parecen más apropiados para la metalurgia de polvos. Materiales para la metalurgia de polvos Desde un punto de vista químico, los polvos metálicos se pueden clasificar en elementales y prealeados. Los 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 magnéticas. Los polvos elementales más comunes son de hierro, aluminio y cobre. Materiales y productos para metalurgia de polvos Los polvos elementales son unidos por mezclado combinado también con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales que son difíciles de formular por métodos convencionales. Los aceros herramienta son un ejemplo; la metalurgia de polvos permite el mezclado de ingredientes que son difíciles o imposibles por las técnicas tradicionales de aleación. El uso de mezclas combinadas de polvos elementales facilita el procesamiento para formar una aleación, aun cuando no involucre aleaciones especiales. Ya que los polvos son metales puros, no son tan resistentes como los metales prealeados. Por tanto, se deforman más fácilmente durante el prensado, así que la densidad y la resistencia en verde son más altas que los compactados prealeados. Materiales y productos para metalurgia de polvos En los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Los polvos prealeados se usan cuando la aleación no puede formularse mediante el mezclado combinado de polvos elementales; el acero inoxidable es un ejemplo importante. Los polvos prealeados más comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad. Los polvos elementales y prealeados de uso más común en orden aproximado de tonelaje son: 1) el hierro, con mucho el metal más usado en PM, unido por mezclado combinado frecuentemente con grafito para hacer piezas de acero 2) el aluminio 3) el cobre y sus aleaciones 4) El níquel 5) el acero inoxidable 6) el acero de alta velocidad 7) otros materiales de metalurgia de polvos como el tungsteno, el molibdeno, el titanio, el estaño y los metales preciosos. Productos de la metalurgia de polvos Una ventaja sustancial de la tecnología de polvos es que las piezas se hacen en forma neta o casi neta; requieren poco o ningún formado adicional después de procesarse en metalurgia de polvos. Algunos de los componentes comúnmente fabricados mediante metalurgia de polvos son engranes, cojinetes, piñones, sujetadores, contactos eléctricos, herramientas de corte y varias piezas de maquinaria. La producción en grandes cantidades de engranes y cojinetes se adapta particularmente bien a la metalurgia de polvos por dos razones: 1) tienen una forma definida principalmente en dos dimensiones (la superficie superior tiene cierta forma y hay pocas o ninguna forma lateral) y 2) se necesita porosidad en el material para servir como depósito de lubricantes. Mediante la metalurgia de polvos también se pueden hacer piezas más complejas con forma tridimensional, añadiendo operaciones secundarias como maquinado para completar la forma de las piezas prensadas y sinterizadas y observando ciertos lineamientos de diseño. Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos La Metal Powder Industries Federation (MPIF) define cuatro clases de diseño de piezas de metalurgia de polvos, atendiendo al nivel de dificultad en el prensado convencional. El sistema es útil porque indica alguna de las limitaciones que deben hacerse en las formas cuando se usan los procesamientos convencionales de metalurgia de polvos. Las cuatro clases de piezas se ilustran en la figura 5.8. Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos Cuatro clases de piezas en metalurgia de polvos (vista lateral, la sección transversal es circular): a) clase I, formas delgadas simples que se pueden presionar (compactar) en una dirección b) clase II, formas simples, pero más gruesas que requieren presión en dos direcciones c) clase III, dos niveles de espesor presionados en dos direcciones d) clase IV, múltiples niveles de espesor presionados en dos direcciones, con controles separados para cada nivel a fin de lograr una densificación apropiada a través de la compactación. Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos El sistema de clasificación de la MPIF suministra algunos lineamientos aplicables a la forma de las piezas, apropiada a las técnicas de prensado convencional en metalurgia de polvos. La economía de los procesamientos mediante metalurgia de polvos usualmente requiere grandes cantidades de piezas para justificar el costo del equipo y las herramientas especiales necesarias. Se sugieren cantidades mínimas de 10 000 unidades, aun cuando hay excepciones. La capacidad de fabricar piezas con un nivel controlado de porosidad es una característica única de la metalurgia de polvos. Son posibles porosidades hasta de 50%. La metalurgia de polvos se puede usar para hacer piezas de metales y aleaciones inusuales, materiales que podrían ser difíciles o hasta imposibles de producir por otros medios. Las cuerdas de un tornillo no se pueden fabricar en metalurgia de polvos; si se necesitan, deben maquinarse en el componente tratado por PM después del sinterizado. Los chaflanes y esquinas redondeadas son posibles en el prensado de metalurgia de polvos.