La metalurgia de polvos ( PM ) es un término que abarca una amplia gama de formas en las que se fabrican materiales o componentes a partir de polvos metálicos . Los procesos de PM se utilizan a veces para reducir o eliminar la necesidad de procesos sustractivos en la fabricación, lo que reduce las pérdidas de material y el coste del producto final. [1] Esto ocurre especialmente a menudo con piezas metálicas pequeñas, como engranajes para máquinas pequeñas. [1] Algunos productos porosos, que permiten que el líquido o el gas los penetren, se producen de esta manera. [1] También se utilizan cuando fundir un material no es práctico, debido a que tiene un punto de fusión alto, o una aleación de dos materiales mutuamente insolubles, como una mezcla de cobre y grafito. [1]
De esta manera, la pulvimetalurgia se puede utilizar para fabricar materiales únicos que son imposibles de obtener mediante fusión o conformado de otras formas. [1] Un producto muy importante de este tipo es el carburo de tungsteno . [1] El carburo de tungsteno se utiliza para cortar y formar otros metales y está hecho de partículas de carburo de tungsteno unidas con cobalto. [2] El carburo de tungsteno es el uso más grande e importante del tungsteno , [3] consumiendo alrededor del 50% del suministro mundial. [4] Otros productos incluyen filtros sinterizados , cojinetes porosos impregnados de aceite, contactos eléctricos y herramientas de diamante.
Las técnicas de pulvimetalurgia consisten generalmente en comprimir un polvo y calentarlo (sinterizarlo) a una temperatura inferior al punto de fusión del metal para unir las partículas. [1] El polvo para los procesos se puede producir de varias formas, incluida la reducción de compuestos metálicos, [1] la electrolización de soluciones que contienen metales, [1] y el triturado mecánico, [1] así como métodos más complicados, que incluyen una variedad de formas de fragmentar el metal líquido en gotitas y la condensación del vapor de metal. La compactación se realiza generalmente con una prensa de matriz, pero también se puede hacer con choques explosivos o colocando un recipiente flexible en un gas o líquido a alta presión. La sinterización se realiza generalmente en un horno dedicado, pero también se puede hacer en tándem con la compresión (compresión isostática en caliente) o con el uso de corrientes eléctricas.
Desde el advenimiento de la fabricación aditiva basada en polvo de metal a escala de producción industrial en la década de 2010, la sinterización selectiva por láser y otros procesos de fabricación aditiva de metal son una nueva categoría de aplicaciones de pulvimetalurgia de importancia comercial.
El proceso de "prensado y sinterizado" de la pulvimetalurgia consta generalmente de tres pasos básicos: mezcla del polvo (o pulverización), compactación en matriz y sinterización . La compactación del polvo en la matriz se realiza generalmente a temperatura ambiente. La sinterización es el proceso de unir un material con calor sin licuarlo. Por lo general, se lleva a cabo a presión atmosférica y en una atmósfera con una composición cuidadosamente controlada. Para obtener propiedades especiales o una mayor precisión, a menudo se realiza un procesamiento secundario como el acuñado o el tratamiento térmico . [5]
Uno de los métodos más antiguos es el proceso de mezclar polvos metálicos finos (<180 micrones) con aditivos, prensarlos en un molde de la forma deseada y luego sinterizar el material comprimido junto, bajo una atmósfera controlada. El polvo metálico suele ser hierro, y los aditivos incluyen una cera lubricante, carbono , cobre y/o níquel . Esto produce piezas precisas, normalmente muy cercanas a las dimensiones del molde, pero con un 5-15% de porosidad y, por lo tanto, propiedades inferiores a las del acero forjado. Este método todavía se utiliza para fabricar alrededor de 1 Mt/año de componentes estructurales de aleaciones a base de hierro. [ cita requerida ]
Existen otros procesos de gestión de proyectos que se han desarrollado durante los últimos cincuenta años, entre ellos:
La historia de la pulvimetalurgia y el arte de la sinterización de metales y cerámicas están íntimamente relacionados entre sí. La sinterización implica la producción de una pieza sólida de metal o cerámica a partir de un polvo de partida. Los antiguos incas fabricaban joyas y otros artefactos a partir de polvos de metales preciosos, aunque la fabricación en masa de productos de pulvimetalurgia no comenzó hasta mediados o fines del siglo XIX. En estas primeras operaciones de fabricación, el hierro se extraía a mano de una esponja metálica después de la reducción y luego se reintroducía como polvo para su fusión o sinterización final. [12]
Se puede obtener una gama mucho más amplia de productos a partir de procesos de polvo que a partir de la aleación directa de materiales fundidos. En las operaciones de fusión, la " regla de las fases " se aplica a todos los elementos puros y combinados y dicta estrictamente la distribución de las fases líquidas y sólidas que pueden existir para composiciones específicas. Además, se requiere la fusión de todo el cuerpo de los materiales de partida para la aleación, lo que impone restricciones químicas, térmicas y de contención no deseadas en la fabricación. Desafortunadamente, la manipulación de polvos de aluminio/hierro plantea problemas importantes. [12] [13] Otras sustancias que son especialmente reactivas con el oxígeno atmosférico, como el estaño , son sinterizables en atmósferas especiales o con recubrimientos temporales. [12] [14]
En la metalurgia de polvos o la cerámica es posible fabricar componentes que de otro modo se descompondrían o desintegrarían. Se pueden ignorar todas las consideraciones de los cambios de fase sólido-líquido, por lo que los procesos de polvos son más flexibles que las técnicas de fundición , extrusión o forjado . [12] Las características controlables de los productos preparados utilizando diversas tecnologías de polvos incluyen propiedades mecánicas, magnéticas, [12] [15] y otras propiedades no convencionales de materiales como sólidos porosos, agregados y compuestos intermetálicos. [12] Las características competitivas del proceso de fabricación (por ejemplo, desgaste de herramientas, complejidad u opciones de proveedores) también se pueden controlar de cerca. [12]
La tecnología de la pulvimetalurgia permite la producción de numerosos productos especiales. Una lista no exhaustiva incluye filamentos de Al2O3 recubiertos con capas de óxido muy finas para mejorar la refracción; compactos de hierro con revestimientos de Al2O3 para mejorar la resistencia a la fluencia a alta temperatura; filamentos de bombillas fabricados con tecnología de polvos; revestimientos para frenos de fricción; vidrios metálicos para películas y cintas de alta resistencia; escudos térmicos para el reingreso de naves espaciales a la atmósfera terrestre; contactos eléctricos para manejar grandes flujos de corriente; imanes ; ferritas de microondas ; filtros para gases; y cojinetes que pueden ser infiltrados con lubricantes . [12]
Las películas extremadamente delgadas y las esferas diminutas presentan una alta resistencia. Una aplicación de esta observación es recubrir materiales frágiles en forma de filamentos con una película submicrométrica de un metal mucho más blando (por ejemplo, tungsteno recubierto con cobalto ). La deformación superficial de la capa delgada somete al metal más duro a compresión, de modo que cuando se sinteriza todo el compuesto, la resistencia a la ruptura aumenta notablemente. Con este método, se han observado resistencias del orden de 2,8 GPa frente a 550 MPa para carburos de tungsteno recubiertos (25 % de cobalto) y sin recubrir, respectivamente . [12]
Cualquier material fusible puede ser atomizado. [12] Se han desarrollado varias técnicas que permiten grandes tasas de producción de partículas en polvo, a menudo con un control considerable sobre los rangos de tamaño de la población de granos final. [12] Los polvos pueden prepararse mediante trituración, molienda, reacciones químicas o deposición electrolítica. [12] Los polvos más comúnmente utilizados son los materiales a base de cobre y de hierro. [16]
Se han producido polvos de los elementos titanio, vanadio, torio, niobio, tántalo, calcio y uranio mediante la reducción a alta temperatura de los nitruros y carburos correspondientes . Se obtienen polvos submicrométricos de hierro, níquel, uranio y berilio mediante la reducción de oxalatos y formatos metálicos . También se han preparado partículas extremadamente finas dirigiendo una corriente de metal fundido a través de un chorro de plasma o llama a alta temperatura , atomizando el material. Se adoptan varios procesos de pulverización químicos y asociados a la llama en parte para evitar la degradación grave de las superficies de las partículas por el oxígeno atmosférico. [12]
El polvo se puede obtener mediante atomización de gas o agua, [17] atomización centrífuga, [12] reducción química de compuestos particulados, [17] deposición electrolítica en condiciones apropiadas, [17] pulverización y molienda simples, [17] descomposición térmica de hidruros o carbonilos particulados, [17] precipitación fuera de la solución, [17] y también condensación del metal vaporizado. [17]
La atomización se logra al forzar una corriente de metal fundido a través de un orificio a presiones moderadas. [12] Se introduce un gas en la corriente de metal justo antes de que salga de la boquilla, lo que sirve para crear turbulencia a medida que el gas arrastrado se expande (debido al calentamiento) y sale a un gran volumen de recolección exterior al orificio. [12] El volumen de recolección se llena con gas para promover una mayor turbulencia del chorro de metal fundido. [12] Las corrientes de aire y polvo se segregan mediante separación por gravedad o ciclónica . [12]
Existen técnicas de atomización sencillas en las que se fuerza el paso del metal líquido a través de un orificio a una velocidad suficientemente alta para garantizar un flujo turbulento. El índice de rendimiento habitual que se utiliza es el número de Reynolds . A un Re bajo, el chorro de líquido oscila, pero a velocidades más altas, la corriente se vuelve turbulenta y se rompe en gotitas. La energía de bombeo se aplica a la formación de gotitas con una eficiencia muy baja (del orden de1% ) y el control sobre la distribución del tamaño de las partículas metálicas producidas es bastante deficiente. Otras técnicas, como la vibración de la boquilla, la asimetría de la boquilla, múltiples corrientes de impacto o la inyección de metal fundido en gas ambiente, están disponibles para aumentar la eficiencia de atomización, producir granos más finos y reducir la distribución del tamaño de las partículas. Desafortunadamente, es difícil expulsar metales a través de orificios más pequeños que unos pocos milímetros de diámetro, lo que en la práctica limita el tamaño mínimo de los granos de polvo a aproximadamente10 μm . La atomización también produce un amplio espectro de tamaños de partículas, lo que requiere una clasificación posterior mediante el cribado y la refundición de una fracción significativa del límite del grano. [12]
La desintegración centrífuga de partículas fundidas ofrece una forma de evitar estos problemas. Se dispone de una amplia experiencia con el hierro, el acero y el aluminio. El metal que se va a convertir en polvo se forma en una varilla que se introduce en una cámara a través de un husillo que gira rápidamente. Frente a la punta del husillo hay un electrodo a partir del cual se establece un arco que calienta la varilla de metal. A medida que el material de la punta se funde, la rápida rotación de la varilla arroja pequeñas gotas de material fundido que se solidifican antes de golpear las paredes de la cámara. Un gas circulante barre las partículas de la cámara. Se podrían emplear técnicas similares en el espacio o en la Luna. La pared de la cámara se podría girar para forzar la entrada de nuevos polvos en recipientes de recolección remotos, y el electrodo podría reemplazarse por un espejo solar enfocado en el extremo de la varilla. [12]
Un método alternativo capaz de producir una distribución muy estrecha de tamaños de grano pero con bajo rendimiento consiste en un recipiente que gira rápidamente y se calienta muy por encima del punto de fusión del material que se va a convertir en polvo. El metal líquido, introducido en la superficie del recipiente cerca del centro a velocidades de flujo ajustadas para permitir que una película fina de metal se deslice uniformemente por las paredes y sobre el borde, se rompe en gotitas, cada una de aproximadamente el espesor de la película. [12]
Otra técnica de producción de polvo implica un chorro fino de metal líquido atravesado por corrientes de agua atomizada a alta velocidad que rompen el chorro en gotas y enfrían el polvo antes de que llegue al fondo del recipiente. En operaciones posteriores, el polvo se seca. [12] Esto se llama atomización con agua. [17] La atomización con agua enfría y solidifica las partículas de metal más rápidamente que la atomización con gas. [17] Dado que la tasa de solidificación es inversamente proporcional al tamaño de partícula, se pueden hacer partículas más pequeñas utilizando la atomización con agua. [ cita requerida ] Cuanto más pequeñas sean las partículas, más homogénea será la microestructura. [ cita requerida ] Las partículas producidas de esta manera también tendrán una forma más irregular [17] y la distribución del tamaño de partícula será más amplia. [ cita requerida ] Además, puede producirse cierta contaminación de la superficie por formación de una película de oxidación. [ cita requerida ] El polvo se puede reducir mediante algún tipo de tratamiento de preconsolidación, como el recocido utilizado para la fabricación de herramientas de cerámica. [ cita requerida ]
La compactación de polvos, uno de los pasos más críticos en los procesos de pulvimetalurgia, es el proceso de compactación de polvos metálicos mediante la aplicación de altas presiones. [18] La mayor parte de la compactación de polvos se realiza con prensas mecánicas y herramientas rígidas, pero también se pueden utilizar técnicas hidráulicas y neumáticas, así como métodos que combinan la compactación con la sinterización, como la compactación isostática en caliente. [18] También se utilizan procesos tradicionales de conformado de metales, incluidos el laminado, el forjado, la extrusión y el estampado. [18]
La densidad del polvo compactado aumenta con la cantidad de presión aplicada. Las presiones típicas varían de 80 psi a 1000 psi (0,5 MPa a 7 MPa), y se han obtenido presiones de 1000 psi a 1 000 000 psi. Se utilizan comúnmente presiones de 10 t/in2 a 50 t/in2 ( 150 MPa a 700 MPa) para la compactación de polvo metálico. Para lograr la misma relación de compresión en un componente con más de un nivel o altura, es necesario trabajar con múltiples punzones inferiores. Una pieza de trabajo cilíndrica se fabrica con herramientas de un solo nivel. Se puede hacer una forma más compleja con las herramientas comunes de múltiples niveles. [ cita requerida ]
La tecnología dominante para la formación de productos a partir de materiales en polvo, tanto en términos de cantidades de tonelaje como de número de piezas producidas, es el prensado en matriz. Existen en el mercado prensas mecánicas, servoeléctricas e hidráulicas, en las que el mayor rendimiento de polvo se procesa mediante prensas hidráulicas. Esta tecnología de formación implica el siguiente ciclo de producción, que ofrece un proceso de alta velocidad de producción y fácilmente automatizado: [ cita requerida ]
Por lo general, las herramientas se mantienen en orientación vertical con la herramienta de punzón formando el fondo de la cavidad. [19] Probablemente, la consideración más básica es poder retirar la pieza de la matriz después de prensarla, además de evitar esquinas afiladas en el diseño. Se recomienda mantener el área de superficie máxima por debajo de 20 pulgadas cuadradas (0,013 m2 ) y la relación altura-diámetro por debajo de 7 a 1. Además de tener paredes más gruesas que 0,08 pulgadas (2,0 mm) y mantener las relaciones de espesor de pared adyacentes por debajo de 2,5 a 1. [19]
Una de las principales ventajas de este proceso es su capacidad para producir geometrías complejas. Las piezas con socavados y roscas requieren una operación de mecanizado secundaria. Los tamaños típicos de las piezas varían de 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 cm2 ) a 20 pulgadas cuadradas (130 cm2 ) . de área y de 0,1 a 4 pulgadas (0,25 a 10,16 cm) de longitud. Sin embargo, es posible producir piezas que tengan menos de 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 cm2 ) y más de 25 pulgadas cuadradas (160 cm2 ) . de área y de una fracción de pulgada (2,54 cm) a aproximadamente 8 pulgadas (20 cm) de longitud. [19] Las prensas mecánicas pequeñas generalmente pueden compactar alrededor de 100 piezas por minuto. [18]
En la compactación con troquel, existen cuatro clases principales de estilos de herramientas: compactación de acción simple, utilizada para componentes delgados y planos; compactación de doble acción opuesta con dos movimientos de punzón, que se adapta a componentes más gruesos; compactación de doble acción con troquel flotante; y troquel de extracción de doble acción. Las clases de doble acción brindan una distribución de densidad mucho mejor que la de acción simple. Las herramientas deben diseñarse de modo que resistan la presión extrema sin deformarse ni doblarse. Las herramientas deben estar hechas de materiales pulidos y resistentes al desgaste. [19]
La consolidación por choque, o consolidación dinámica, es una técnica experimental de consolidación de polvos mediante ondas de choque de alta presión. [20] [21] Esta técnica es útil para productos muy grandes, incluidos aquellos de más de 3000 toneladas y más grandes que 100 pulgadas cuadradas. [18] Estos se producen comúnmente al impactar la pieza de trabajo con una placa acelerada explosivamente. [ cita requerida ] A pesar de haber sido investigada durante mucho tiempo, la técnica aún tiene algunos problemas de controlabilidad y uniformidad. [ cita requerida ] Sin embargo, ofrece algunas ventajas potenciales valiosas. Como ejemplo, la consolidación ocurre tan rápidamente que se pueden retener microestructuras metaestables. [22]
La compactación isostática de polvos es un método alternativo de compactación de polvos. [18] En la compactación isostática en frío, las partículas finas de metal se colocan en un molde flexible, que luego se sumerge en un gas o líquido a alta presión desde todas las direcciones (isostático). [18] Después de la sinterización, este proceso de fabricación produce muy poca chatarra y se puede utilizar para hacer muchas formas diferentes. Las tolerancias que este proceso puede lograr en combinación con la sinterización son muy precisas, y varían de +/- 0,008 pulgadas (0,2 mm) para dimensiones axiales y +/- 0,020 pulgadas (0,5 mm) para dimensiones radiales. Este es el tipo más eficiente de compactación de polvos (las siguientes subcategorías también son de esta referencia). [19] Esta operación generalmente solo se aplica en pequeñas cantidades de producción y, aunque el costo de un molde es mucho menor que el de las matrices de prensado, generalmente no es reutilizable y el tiempo de producción es mucho más largo. [23] Las tasas de producción suelen ser muy bajas, pero se pueden compactar de manera efectiva piezas que pesan hasta 100 libras. [18] Debido a que la presión se aplica desde todas las direcciones, se requieren presiones de compactación más bajas para producir mayores densidades de polvo en el producto final. [18]
Las presiones de compactación varían de 15 000 psi (100 000 kPa ) a 40 000 psi (280 000 kPa) para la mayoría de los metales y aproximadamente de 2000 psi (14 000 kPa) a 10 000 psi (69 000 kPa) para los no metales. [19] La densidad de las piezas compactadas isostáticamente es entre un 5 % y un 10 % mayor que con otros procesos de pulvimetalurgia. [19] Los tamaños típicos de las piezas de trabajo varían de 0,25 pulgadas (6,35 mm) a 0,75 pulgadas (19,05 mm) de espesor y de 0,5 pulgadas (12,70 mm) a 10 pulgadas (254 mm) de largo. Es posible compactar piezas de trabajo que tengan entre 0,0625 pulgadas (1,59 mm) y 5 pulgadas (127 mm) de espesor y entre 0,0625 pulgadas (1,59 mm) y 40 pulgadas (1016 mm) de largo. [19]
Las ventajas sobre la compactación de polvo estándar son la posibilidad de paredes más delgadas y piezas de trabajo más grandes. La relación altura-diámetro no tiene limitación. No existen limitaciones específicas en variaciones de espesor de pared, socavaduras , relieves, roscas y orificios transversales. No se necesitan lubricantes para la compactación de polvo isostática. El espesor mínimo de pared es de 0,05 pulgadas (1,27 mm) y el producto puede tener un peso entre 40 y 300 libras (18 y 136 kg). Hay un 25 a 45% de contracción del polvo después de la compactación. [19]
Las herramientas isostáticas están disponibles en tres estilos: molde libre (bolsa húmeda), molde grueso (bolsa húmeda) y molde fijo (bolsa seca). El estilo de molde libre es el estilo tradicional de compactación isostática y no se utiliza generalmente para trabajos de alta producción. En las herramientas de molde libre, el molde se retira y se llena fuera del recipiente. La bolsa húmeda es donde el molde se ubica en el recipiente, pero se llena por fuera. En las herramientas de molde fijo, el molde está contenido dentro del recipiente, lo que facilita la automatización del proceso. [19]
Después de la compactación, los materiales en polvo se calientan en una atmósfera controlada en un proceso conocido como sinterización. Durante este proceso, las superficies de las partículas se unen y se logran las propiedades deseadas. [6]
La sinterización de metales en polvo es un proceso en el que las partículas bajo presión se unen químicamente entre sí para formar una forma coherente cuando se exponen a una temperatura alta. La temperatura a la que se sinterizan las partículas suele ser inferior al punto de fusión del componente principal del polvo. [24] Si la temperatura es superior al punto de fusión de un componente de la pieza de metal en polvo, el líquido de las partículas fundidas llena los poros. Este tipo de sinterización se conoce como sinterización en estado líquido. [6] Un desafío importante con la sinterización en general es conocer el efecto del proceso en las dimensiones de las partículas compactas. Esto es especialmente difícil para fines de fabricación de herramientas en los que pueden necesitarse dimensiones específicas. Lo más habitual es que la pieza sinterizada se encoja y se vuelva más densa, pero también puede expandirse o no experimentar ningún cambio neto. [24]
La principal fuerza impulsora de la sinterización en estado sólido es un exceso de energía libre en la superficie. El proceso de sinterización en estado sólido es complejo y depende de las condiciones del material y del horno (temperatura y gas). Hay seis etapas principales en las que se pueden agrupar los procesos de sinterización que pueden superponerse entre sí: 1) unión inicial entre partículas, 2) crecimiento del cuello, 3) cierre del canal de poro, 4) redondeo de poros, 5) densificación o contracción de poros y 6) engrosamiento de poros. Los principales mecanismos presentes en estas etapas son la evaporación , la condensación , los límites de grano , la difusión de volumen y la deformación plástica . [24]
Durante este proceso, se incrementan varias características, incluida la resistencia , la ductilidad , la tenacidad y la conductividad eléctrica y térmica del material. Si se compactan y sinterizan diferentes polvos elementales, el material formaría aleaciones y fases intermetálicas. [6] A medida que disminuyen los tamaños de poro, aumentará la densidad del material. Como se indicó anteriormente, esta contracción es un gran problema en la fabricación de piezas o herramientas en las que se requieren dimensiones particulares. La contracción de los materiales de prueba se monitorea y se utiliza para manipular las condiciones del horno o para sobredimensionar los materiales compactos para lograr las dimensiones deseadas. Sin embargo, la sinterización no agota la parte compacta de la porosidad . En general, las piezas de metal en polvo contienen entre un cinco y un veinticinco por ciento de porosidad después de la sinterización. [6]
La mayoría de los hornos de sinterización contienen tres zonas con tres propiedades diferentes que ayudan a llevar a cabo los seis pasos anteriores. La primera zona, comúnmente denominada etapa de quemado o purga, está diseñada para quemar aire, quemar cualquier contaminante como lubricante o aglutinantes y aumentar lentamente la temperatura de los materiales compactos. Si la temperatura de las piezas compactas aumenta demasiado rápido, el aire en los poros estará a una presión interna muy alta que podría provocar la expansión o fractura de la pieza. La segunda zona, conocida como etapa de alta temperatura, se utiliza para producir difusión de estado sólido y unión de partículas. El material busca reducir su energía superficial y lo hace moviéndose hacia los puntos de contacto entre partículas. Los puntos de contacto se hacen más grandes y, finalmente, se crea una masa sólida con poros pequeños. La tercera zona, también llamada período de enfriamiento, se utiliza para enfriar las piezas mientras aún están en una atmósfera controlada. Esta es una zona importante ya que evita la oxidación por contacto inmediato con el aire o un fenómeno conocido como enfriamiento rápido. Las tres etapas deben llevarse a cabo en una atmósfera controlada que no contenga oxígeno. El hidrógeno, el nitrógeno, el amoníaco disociado y los hidrocarburos craqueados son gases comunes que se bombean a las zonas del horno y proporcionan una atmósfera reductora que evita la formación de óxido. [6]
El prensado isostático en caliente (HIP) comprime y sinteriza la pieza simultáneamente [12] aplicando calor del orden de 2300 °F (1250 °C), en el caso del hierro, o 2750 °F (1500 °C) en el caso de aleaciones de níquel. [18] Este procedimiento, junto con las técnicas de compresión impulsadas por explosión, se utiliza ampliamente en la producción de piezas de alta temperatura y alta resistencia, como discos de turbinas para motores a reacción. [12] En la mayoría de las aplicaciones de la pulvimetalurgia, el compacto se prensa en caliente, calentándose a una temperatura por encima de la cual los materiales no pueden permanecer endurecidos por deformación. [12] El prensado en caliente reduce las presiones necesarias para reducir la porosidad y acelera los procesos de soldadura y deformación del grano. [12] También permite un mejor control dimensional del producto, disminuye la sensibilidad a las características físicas de los materiales de partida y permite comprimir el polvo a densidades más altas que con el prensado en frío, lo que da como resultado una mayor resistencia. [12] Los aspectos negativos del prensado en caliente incluyen una vida útil más corta de la matriz, un rendimiento más lento debido al calentamiento del polvo y la necesidad frecuente de atmósferas protectoras o simple vacío durante las etapas de formación y enfriamiento. [12] [18]
El HIP produce productos a menudo de mayor calidad que otros procesos. [18] Sin embargo, el HIP es caro y generalmente poco atractivo para la producción de alto volumen, debido al alto costo de colocar el polvo en un medio aislante flexible que pueda soportar las temperaturas y presiones ( enlatado ) y luego retirarlo de ese medio ( desenlatado ), así como los largos períodos de tiempo involucrados, que pueden variar de 6 a 8 horas. [18]
Estas técnicas emplean corrientes eléctricas para impulsar o mejorar la sinterización. [25] Una combinación de presión mecánica y corriente eléctrica, que pasa a través del polvo o del contenedor, reduce significativamente el tiempo de sinterización en comparación con las soluciones convencionales. [25] Hay muchas clasificaciones de estas técnicas, pero se pueden dividir en dos categorías principales: técnicas de sinterización por resistencia, que aplican voltajes y corrientes más bajos y toman de alrededor de diez segundos a diez minutos; y sinterización por descarga eléctrica, que utiliza bancos de condensadores para lograr corrientes y voltajes más altos, y toman de decenas de microsegundos a decenas de milisegundos. [25] Las técnicas de sinterización por resistencia incluyen sinterización por plasma de chispa (SPS), sinterización activada por plasma (PAS) y sinterización por corriente eléctrica de pulso (PECS). [26] Las técnicas de sinterización por descarga eléctrica incluyen sinterización por descarga de condensador . [26] Actualmente, la sinterización por plasma de chispa es actualmente el método más comúnmente utilizado de consolidación de pulso eléctrico en general. [26]
Los voltajes de sinterización por resistencia suelen alcanzar alrededor de 1 kA por centímetro cuadrado, mientras que los voltajes de sinterización por descarga eléctrica requieren voltajes muy altos, superiores a 10 kA por centímetro cuadrado. [26] Las técnicas de sinterización por resistencia son métodos de consolidación basados en la temperatura, donde el calentamiento del molde y de los polvos se logra mediante corrientes eléctricas, generalmente con un tiempo de procesamiento característico de 15 a 30 minutos. Por otro lado, los métodos de sinterización por descarga eléctrica se basan en corrientes de alta densidad (de 0,1 a 1 kA/mm^2) para sinterizar directamente polvos conductores de electricidad, con un tiempo característico entre decenas de microsegundos a cientos de milisegundos. [ cita requerida ]
En sentido estricto, la frase "proceso continuo" debería emplearse únicamente para describir modos de fabricación que podrían extenderse indefinidamente en el tiempo. Sin embargo, normalmente el término se refiere a procesos cuyos productos son mucho más largos en una dimensión física que en las otras dos. La compresión, el laminado y la extrusión son los ejemplos más comunes. [12]
En un proceso de compresión simple, el polvo fluye desde un contenedor hacia un canal de dos paredes y se comprime repetidamente verticalmente mediante un punzón estacionario horizontal. Después de extraer la compresa del transportador, la masa compactada se introduce en un horno de sinterización. Un enfoque aún más fácil es rociar el polvo sobre una cinta en movimiento y sinterizarlo sin compresión. Sin embargo, es difícil encontrar buenos métodos para extraer materiales prensados en frío de las cintas en movimiento. Una alternativa que evita por completo la dificultad de extraer la cinta es la fabricación de láminas de metal utilizando cilindros hidráulicos opuestos , aunque pueden surgir líneas de debilidad a lo largo de la lámina durante sucesivas operaciones de prensado. [12] [ se necesita más explicación ]
Los polvos también se pueden laminar para producir láminas. El metal en polvo se introduce en un laminador de dos alturas, [a] y se compacta en forma de tira a una velocidad de hasta 100 pies por minuto (0,5 m/s). Luego, la tira se sinteriza y se somete a otro laminado y sinterización adicional. El laminado se utiliza comúnmente para producir láminas de metal para componentes eléctricos y electrónicos, así como monedas . También se ha realizado un trabajo considerable en el laminado simultáneo de múltiples capas de diferentes materiales en láminas. [12]
Los procesos de extrusión son de dos tipos generales. En un tipo, el polvo se mezcla con un aglutinante o plastificante a temperatura ambiente; en el otro, el polvo se extruye a temperaturas elevadas sin fortificación. [ se necesita más explicación ] Las extrusiones con aglutinantes se utilizan ampliamente en la preparación de compuestos de carburo de tungsteno. Los tubos, las secciones complejas y las formas de perforación en espiral se fabrican en longitudes extendidas y diámetros que varían en el rango de 0,5 a 300 mm (0,020 a 11,811 pulgadas). Se han extraído alambres de metal duro de 0,1 mm (0,0039 pulgadas) de diámetro a partir de material en polvo. En el extremo opuesto, pueden ser factibles grandes extrusiones sobre una base de tonelaje. [12]
En el caso de metales más blandos y fáciles de conformar, como las aleaciones de aluminio y cobre, también se puede realizar una extrusión continua mediante procesos como la extrusión rotatoria continua o conformada. Estos procesos utilizan una rueda giratoria con una ranura alrededor de su circunferencia para impulsar el polvo suelto a través de una matriz de conformado. Mediante una combinación de alta presión y una trayectoria de deformación compleja, las partículas de polvo se deforman, generan una gran cantidad de calor por fricción y se unen para formar un sólido a granel. En teoría, es posible una operación completamente continua siempre que el polvo pueda introducirse en el proceso. [27]
No parece haber ninguna limitación en cuanto a la variedad de metales y aleaciones que se pueden extruir, siempre que las temperaturas y presiones involucradas estén dentro de las capacidades de los materiales de la matriz. [12] Las longitudes de extrusión pueden variar de 3 a 30 m [28] y los diámetros de 0,2 a 1 m. Las prensas modernas son en gran parte automáticas y funcionan a altas velocidades (del orden de m/s). [12]
Los materiales y procesos especiales que se utilizan en la pulvimetalurgia pueden suponer riesgos para la vida y la propiedad. La elevada relación superficie-volumen de los polvos puede aumentar su reactividad química en caso de exposición biológica (por ejemplo, inhalación o ingestión) y aumenta el riesgo de explosiones de polvo . Los materiales considerados relativamente benignos en grandes cantidades pueden plantear riesgos toxicológicos especiales cuando se encuentran en forma finamente dividida. La inhalación de metales pesados puede provocar muchos problemas de salud. El plomo y el cadmio son generalmente tóxicos, y el cobalto puede provocar asma y fibrosis en personas sensibles. [29]
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