3 PRENSADO CONVENCIONAL Y SINTERIZADO Después de la producción de polvos metálicos, la secuencia convencional de la metalurgia de polvos consiste en tres pasos: 1) combinación de los polvos, 2) compactación en la cual se prensan los polvos para obtener la forma deseada; y 3) sinterizado que implica calentamiento a una temperatura por debajo del punto de fusión para provoca la unión de las partículas en estado sólido y el fortalecimiento de la parte. Estos tres pasos que algunas veces se aluden como operaciones
primarias
de
la
metalurgia
de
polvos
se
ilustran en la figura 7. En ocasiones también ejecutan operaciones secundarias destinada; a mejorar la precisión dimensional, incrementar densidad y para otros propósitos.
3.1 Mezclado y combinación de polvos Para
lograr
buenos
sinterizado,
resultados
los
homogeneizarse
polvos
en
la
compactación
metálicos
perfectamente
antes
del
y
el
necesitan
de
proceso.
Los
términos mezclado y combinación se usan e1 este contexto. El mezclado se refiere a la mezcla de polvos de la misma composición
química,
pero
posiblemente
con
diferentes
tamaños de partícula. La combinación se refiere a la mezcla de polvos de diferente composición química. Una ventaja de esta tecnología es la oportunidad de combinar.
FIGURA 7 Secuencia convencional de producción en metalurgia de polvos: (1) mezclado, (2) compactado y (3) sinterizado; en (a) se muestra a condición
de
las
partículas,
mientras
que
en
(b)
se
muestran
las
operaciones y la parte durante la secuencia
FIGURA 8 Varios dispositivos de mezclado y combinación: (a) tambor rotatorio, (b) doble cono rotatorio, (c) mezclador de tornillo y (d) mezclador de paletas
Varios metales en aleaciones que sería difícil o imposible producir por otros medios. La distinción entre mezclado y combinación
no
siempre
es
precisa
en
la
práctica
industrial. El
mezclado
y
la
combinación
se
realizan
por
medios
mecánicos. Algunas alternativas se ilustran en la figura 8, éstas son: (a) por rotación en tambor, (b) por rotación en un
recipiente
de
cono
doble,
(c)
por
agitación
en
un
mezclador de tornillo y (d) por agitación en un mezclador de paletas. En estos dispositivos hay más ciencia de la que se puede sospechar.
Lo
mejores
resultados
se
obtienen
cuando
se
llenan entre un 20% y un 40%. Los recipientes se diseñan generalmente
con
bafles
internos
u
otras
formas
para
impedir la caída libre durante el mezclado de polvos de diferentes tamaños, debido a que en las
variaciones
de
asentamiento de los diferentes tamaños genera segregación, precisamente lo contrario de lo busca en el mezclado. No es conveniente que los polvos se sometan a vibración, ya que esto también produce segregación. Generalmente
se
añaden
otros
ingredientes
a
los
polvos
metálicos durante el paso de mezclado o combinación. Estos aditivos son: 1) lubricantes, como el estearato de zinc y el aluminio en pequeñas cantidades para reducir la fricción entre las partículas y en las paredes del dado durante la compactación; 2) aglutinantes, que se requieren en algunos casos para lograr una resistencia adecuada en las partes prensadas pero no sinterizadas; y 3) desfloculantes, que inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus características
de
flujo
durante
la
alimentación.
3.2 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 9. A la parte después de prensada se le llama compacto verde, el
término
verde
significa
que
la
parte
no
está
completamente procesada. Como resultado del prensado, la densidad de la parte, llamada densidad verde, es mucho más grande que la densidad volumétrica inicial. La resistencia verde de la parte cuando es prensada es adecuada para el
manejo, pero mucho menor que la que se logra después del sinterizado. La
presión
que
se
aplica
en
la
compactación
produce
inicialmente un reempacado de los polvos en un arreglo más eficiente, elimina 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. posterior
del
Esto
viene
volumen
de
acompañado los
de
poros.
La
una
reducción
progresión
se
ilustra en la figura 10 para partículas iníciales de forma esférica.
También
se
muestra
la
densidad
asociada,
representada para las tres vistas como una función de la presión aplicada.
FIGURA
9
Prensado,
método
convencional
de
compactación
de
polvos
metálicos en metalurgia de polvos: (1) llenado de la cavidad del molde con polvos, por alimentación automática en la producción; (2) posición inicial,
(3)
final
de
los
punzones
durante
la
compactación
y
(4)
durante
la
llenado,
(2)
remoción de la parte
FIGURA
10
(a)
compactación:(1)
Efecto polvos
de
sueltos
la
presión
iníciales
aplicada
después
del
reempacado y (3) d formación de las partículas; y (b) densidad de los polvos en función de la presión. 1ª secuencia corresponde a los pasos (1), (2) y (3) de la figura 9
Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia
de
polvos
son
mecánicas,
hidráulicas
o
una
combinación de las dos. En la figura 11 se muestra una unidad hidráulica de 50 toneladas. Debido a diferencias en la complejidad de las partes 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 punzones opuestos, de doble acción o
de
múltiple
acción.
La
tecnología
de
las
prensas
comúnmente
FIGURA 11 Prensa hidráulica de 50 ton para compactación de componentes de metalurgia de polvos. Esta prensa tiene la capacidad de actuar en niveles
múltiples
para
metalurgia de polvos.
producir
piezas
de
formas
complejas
en
disponibles
puede
suministrar
hasta
diez
acciones
de
control separadas para producir partes de forma bastante compleja. Examinaremos la complejidad de las partes y otros aspectos de diseño en la sección 6. 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 parte (área en el plano horizontal para una prensa vertical) multiplicada por la presión necesaria para compactar los polvos
del
metal
dado.
Expresando
esto
en
forma
de
ecuación, F = A PP C.
(8)
donde F = fuerza requerida, lb (N); A = ár ea proyectada de la parte, pulg2 (mm2); y P , = presión de compactación C requerida para el materia del polvo dado, lb/pulg2 (MPa). Las presiones típicas de compactación fluctúan entre 10 000 lb/pulg2,
(70
MPa)
para
polvos
de
aluminio
y
100
000
lb/pulg2 (700 MPa) para polvos de hierro y acero.
3.3 Sinterizado Después de prensado, el compactado verde carece de fuerza y resistencia, se desmorona fácilmente, al menor esfuerzo. El sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se
ejecuta
sobre
metálicas,
compactado
incrementando
de
para esta
unir
sus
manera
su
partículas fuerza
y
resistencia. El tratamiento se del metal (en la 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.
En opinión de los investigadores, la fuerza básica que mueve
al
sinterizado
superficial.
El
es
compactado
la
reducción
verde
consiste
la en
energía muchas
partículas distintas que tienen su propia superficie, por tanto,
la
superficie
total
del
área
contenida
en
el
compactado es m afta. Bajo la influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de las uniones entre
las
partículas,
esto
implica
la
reducción
de
la
energía superficial. 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 12 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 tico. La contracción ocurre
durante
el
sinterizado
como
resultado
de
la
reducción del tamaño de los poros. Esto depende en gran medida de densidad del compactado verde, y ésta a su ve de la presión durante la compactación. Cuándo 1 condiciones del
procesamiento
se
controlan
estrechamente,
la
contracción generalmente es predecible. Dado que las aplicaciones de la PM involucran generalmente producciones medianas o altas la mayoría de los hornos de sinterizado se diseñan con dispositivos mecanizados para el traslado de las partes de trabajo durante el proceso. El tratamiento térmico consiste en tres pasos realizad en tres cámaras de hornos continuos: 1) precalentado, en el cual se queman los lubricantes y aglutinante, 2) sinterizado y 3) enfriado. El tratamiento se ilustra en la figura 13. Las
temperaturas típicas y los tiempos de sinterizado se dan en la tabla 1 para metales seleccionados. En
la
práctica
moderna
del
sinterizado
se
controla
la
atmósfera del horno. Los propósitos la atmósfera controlada son:
1)
proteger
de
la
oxidación,
2)
proporcionar
una
atmósfera reductora para remover los óxidos existentes, 3) suministrar
una
atmósfera
carburizadora
y
4)
ayudar
a
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 hidrogeno y basadas en gas natural . Las atmósferas al vacío se usan para ciertos metales como los aceros inoxidables y el tungsteno.
FIGURA
12
partículas
Sinterizado se
inicia
a en
escala los
microscópica:
puntos
d
(1)
contacto,
la (2)
unión los
de
puntos
las 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 habla cuellos
FIGURA
13
(a)
Ciclo
típico
de
tratamiento
térmico
durante
el
sinterizado y (b) sección transversal esquemática de un horno continuo de sinterizado
TABLA 1 Temperaturas típicas y tiempos de sinterizados de metales seleccionados. Temperaturas de sinterizado Metal
°F
Latón
1600
(850)
25
Bronce
1500
(820)
15
Cobre
1600
(850)
25
Hierro
2000
(1100)
30
Acero inoxidable 2200
(1200)
45
Tungsteno
(2300)
480
4200
°C
Tiempo (mm)
3.4 Operaciones secundarias Las funciones de las operaciones secundarias son varias, incluyendo
la
densificación,
el
dimensionamiento
la
impregnación, la infiltración, el tratamiento térmico y el acabado.
Densificación
y
Numerosas
dimensionamiento
operaciones
secundarias se ejecutan para aumentar la densidad y mejorar la
precisión,
partes
o
para
sinterizadas.
lograr El
formas
represando
adicionales es
una
en
las
operación
de
prensado en la cual se aprieta la parte en un dado cerrado para
aumentar
la
densidad
y
mejorar
las
propiedades
físicas. El dimensionamiento es la compresión de una parte sinterizada acuñado
es
para una
mejorar
su
precisión
operación
de
prensado
dimensional. sobre
una
El
parte
sinterizada para imprimir detalles en su superficie. Algunas
partes
posterior. dimensionar
sinterizadas
Rara las
características prensado,
vez
se
partes,
utiliza más
geométricas
como
son
requieran bien
que
cuerdas
no
un
el se
maquinado
maquinado usa
para
pueden
internas
para crear
lograr o
por
externas,
perforaciones laterales y otros detalles.
Impregnación e infiltración
La
porosidad
tecnología
de
es
una
característica
metalurgia
de
polvos.
inherente Ésta
se
a
la
puede
aprovechar para crear productos especiales, llenando el espacio disponible en los poros con aceite, polímeros o metales que tienen un punto de fusión m 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 parte sinterizada. Los productos más comunes de este proceso son los
rodamientos
impregnados
con
aceite;
los
engranes
y
componentes similares de maquinaria. Los rodamientos aun lubricados, fabricados usualmente de bronce o hierro con 10 a
30%
de
aceité
en
volumen,
se
as
ampliamente
en
la
industria automotriz. Los tratamientos se realizan mediante inmersión de las par sinterizadas en un baño de aceite caliente. La infiltración es una operación en la cual se llenan los poros de las partes de PM con un metal fundido. El punto de fusión del metal de relleno debe ser menor que el de la parte. El proceso implica calentar el metal de relleno en contacto con el componente sinterizado de manera que 1 acción de capilaridad haga fluir al relleno dentro de los poros. La estructura resultante es relativamente no porosa y la parte infiltrada tiene una densidad más uniforme, así como una tenacidad resistencia mejorada. Una aplicación de este proceso es la infiltración con cobre de las partes de hierro sinterizado.
Tratamiento térmico y acabado
Los
componentes
de
polvos
metálicos
pueden
tratarse
térmicamente y terminarse (electrodepositación o pintura) por la mayoría de las operaciones que se usan en la partes fabricadas por fundición y otros procesos de trabajo de metales. Los mismo tratamientos térmicos se usan (capítulo 8) para endurecer y hacer más resistentes las parte Debido a la porosidad de las partes sinterizadas, se debe tener cuidado con algunos de esto; tratamientos, por ejemplo, no
deben
usarse
los
baños
de
sales
para
calentar
.estas
partes. Se pueden aplicar a las partes sinterizadas operaciones de chapeado
y
recubrimiento
con
fines
de
apariencia
y
resistencia a la corrosión. Se debe tener cuidado para evitar que la soluciones químicas queden atrapadas en los poros,
frecuentemente
se
usan
la
impregnación
y
1
infiltración para este propósito. Los chapeados comunes para partes sinterizadas incluyen cobre níquel, cromo, zinc y cadmio.
