El prensado en caliente es un proceso de pulvimetalurgia de alta presión y baja tasa de deformación para formar un polvo o un compacto de polvo a una temperatura lo suficientemente alta como para inducir procesos de sinterización y fluencia . [1] Esto se logra mediante la aplicación simultánea de calor y presión.
El prensado en caliente se utiliza principalmente para fabricar materiales duros y quebradizos . Un gran uso es en la consolidación de herramientas de corte de compuestos de diamante y metal y cerámicas técnicas . La densificación funciona a través de la reorganización de partículas y el flujo plástico en los contactos de las partículas. El polvo suelto o la pieza precompactada se llena en la mayoría de los casos en un molde de grafito que permite el calentamiento por inducción o resistencia hasta temperaturas de típicamente 2400 °C (4350 °F). Se pueden aplicar presiones de hasta 50 MPa (7300 psi). Otro gran uso es en el prensado de diferentes tipos de polímeros.
Dentro de la tecnología de prensado en caliente se pueden encontrar tres tipos de calentamiento claramente diferentes: calentamiento por inducción , calentamiento por resistencia indirecta y técnica de sinterización asistido por campo (FAST) / prensado en caliente directo.
En este proceso, el calor se genera dentro del molde cuando se lo somete a un campo electromagnético de alta frecuencia, generado mediante una bobina de inducción acoplada a un generador electrónico. El molde está hecho de grafito o acero y se aplica presión mediante uno o dos cilindros sobre los punzones. El molde se coloca dentro de la bobina de inducción. La ventaja aquí es que la presión y la potencia inductiva son completamente independientes. Incluso los polvos con una fase líquida son susceptibles a este proceso y también son posibles bajas presiones. Entre las desventajas están el costo de un generador de alta frecuencia y la necesidad de una alineación adecuada. Si el molde se coloca descentrado, la distribución del calor es desigual. Pero la desventaja principal es la dependencia del proceso de un buen acoplamiento inductivo y la conductividad térmica del molde. El campo magnético puede penetrar en el molde solo de 0,5 mm a 3 mm. A partir de ahí, el calor tiene que ser "transportado" al molde por la conductividad térmica del material del molde. El calentamiento uniforme es mucho más difícil si el espacio de aire entre el molde y la bobina de inducción no es el mismo a lo largo de todo el perfil del molde. Otro problema potencial es la velocidad de calentamiento. Una velocidad de calentamiento demasiado alta dará lugar a grandes diferencias de temperatura entre la superficie y el núcleo que pueden destruir el molde.
Con la tecnología de calentamiento por resistencia indirecta, el molde se coloca en una cámara de calentamiento. La cámara se calienta mediante elementos calefactores de grafito. Estos elementos se calientan mediante corriente eléctrica. Luego, el calor se transfiere al molde por convección . Como la energía eléctrica calienta los elementos calefactores que luego calientan el molde de manera secundaria, el proceso se denomina calentamiento por resistencia indirecta.
Las ventajas son las altas temperaturas alcanzables, independientemente de la conductividad del molde y del calor y la presión. La principal desventaja es el tiempo que se tarda en calentar el molde. La transferencia de calor desde la atmósfera del horno a la superficie del molde y, posteriormente, a toda la sección transversal del molde tarda relativamente mucho tiempo.
La idea básica de sinterizar con corriente eléctrica que pasa a través del molde es bastante antigua. El calentamiento por resistencia de polvos de carburo cementado fue patentado por Tayler [2] ya en 1933. Este método está despertando un renovado interés en la actualidad. La corriente puede ser pulsada o no pulsada, CC o CA. La sinterización por plasma con chispa (SPS) es un nombre común para esta técnica, sin embargo, es técnicamente incorrecto ya que hasta ahora no se han validado ni chispas ni plasma. Otros nombres comunes para esta técnica son sinterización por corriente continua, prensado rápido en caliente, prensado directo en caliente, entre otros. Todas estas técnicas se resumen bajo el término genérico "Técnica de sinterización asistida por campo (FAST)". [3]
La razón de peso para acortar el tiempo de ciclo era evitar el crecimiento de grano y también ahorrar energía. En el prensado en caliente directo, el molde está conectado directamente a la energía eléctrica. La resistividad del molde y de la parte de polvo genera el calor directamente en el molde. Esto da como resultado velocidades de calentamiento muy altas. Además, esto conduce a un aumento significativo en la actividad de sinterización de agregados de polvo metálico fino, lo que hace posible tiempos de ciclo cortos de unos pocos minutos. Además, este proceso reduce la temperatura y la presión de sinterización umbral en comparación con las requeridas en los procesos de sinterización convencionales. Los dos métodos anteriores dependen estrechamente de una propiedad intrínseca del material del molde, es decir, su conductividad térmica. Sin embargo, con el calentamiento por resistencia directa, el calor se genera donde se necesita.
Las últimas investigaciones sugieren que no existe una diferencia básica entre la sinterización con corriente pulsada o no pulsada (SPS o FAST). En principio, se pueden lograr los mismos resultados mejorados de sinterización (en comparación con el prensado en caliente convencional) con todas las técnicas de prensado en caliente directo, si la mejora se debe únicamente al calentamiento in situ del polvo. [4] Si existen efectos físicos adicionales, que están asociados a la densidad de corriente eléctrica en sí (que depende en gran medida del tipo de polvo), una corriente pulsada con frecuencia tiene efectos beneficiosos adicionales, porque durante cada pulso la densidad de corriente eléctrica alcanza un valor significativamente mayor que una corriente continua con una potencia de calentamiento comparable. [ cita requerida ]
Recientemente, se ha logrado la fabricación de elementos tan críticos como objetivos de pulverización catódica y componentes cerámicos de alto rendimiento, como carburo de boro , diboruro de titanio y sialón . Al utilizar polvo metálico, la conductividad del molde es ideal para un calentamiento rápido de la pieza de trabajo. Los moldes con un diámetro grande y una altura relativamente pequeña se pueden calentar rápidamente. El proceso es especialmente adecuado para aplicaciones que requieren altas velocidades de calentamiento. Esto se aplica a materiales que solo se pueden mantener a altas temperaturas durante un breve período o para procesos que requieren velocidades de calentamiento rápidas para una alta productividad.
Con la tecnología de prensado en caliente directo, los materiales se pueden sinterizar hasta alcanzar su densidad final. La precisión de forma casi neta que se logra es muy alta y, a menudo, elimina la necesidad de rehacer mecánicamente materiales que suelen ser difíciles de procesar.
En la industria de los materiales de fricción, el prensado en caliente directo desempeña un papel cada vez más importante en la producción de pastillas de freno y embragues sinterizados. Las pastillas de freno sinterizadas se utilizan cada vez más para aplicaciones en trenes de alta velocidad y motocicletas, así como en energía eólica, vehículos todo terreno, bicicletas de montaña y aplicaciones industriales. Los discos de embrague sinterizados se utilizan predominantemente para camiones pesados, embarcaciones, tractores y otras máquinas agrícolas.
Las instalaciones de investigación como universidades e institutos aprovechan los ciclos de sinterización cortos, lo que acelera el proceso de investigación.
Los últimos trabajos de desarrollo incluyen disipadores de calor de compuestos de metal y diamante, por ejemplo, en aplicaciones de LED y láser. La sinterización de compuestos de metal y diamante con prensas calientes directas se remonta a la década de 1950, cuando se practica habitualmente en la industria de herramientas de diamante.
