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 pueden reducir o eliminar la necesidad de procesos sustractivos en la fabricación, reduciendo las pérdidas de material y reduciendo el costo del producto final.
La metalurgia de polvos también se utiliza para fabricar materiales únicos que son imposibles de obtener mediante fusión o formación de otras formas. Un producto muy importante de este tipo es el carburo de tungsteno . El carburo de tungsteno se utiliza para cortar y formar otros metales y está hecho de partículas de carburo de tungsteno unidas con cobalto. Se utiliza mucho en la industria para herramientas de muchos tipos y, en todo el mundo, se fabrican unas 50.000 toneladas al año mediante pulvimetalurgia. Otros productos incluyen filtros sinterizados , cojinetes porosos impregnados de aceite, contactos eléctricos y herramientas de diamante.
Desde la llegada de la fabricación aditiva a base de polvo metálico 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 comercialmente importantes.
El proceso de "prensado y sinterización" de pulvimetalurgia generalmente consta de tres pasos básicos: mezcla de polvo (o pulverización), compactación del molde 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. Generalmente se realiza a presión atmosférica y bajo una composición atmosférica cuidadosamente controlada. Para obtener propiedades especiales o una precisión mejorada, a menudo sigue un procesamiento secundario como acuñación o tratamiento térmico . [1]
Uno de los métodos más antiguos es el proceso de mezclar polvos metálicos finos (<180 micrones) con aditivos, presionarlos en un molde de la forma deseada y luego sinterizar el material comprimido bajo una atmósfera controlada. El polvo metálico suele ser hierro y los aditivos incluyen cera lubricante, carbón , cobre y/o níquel . Esto produce piezas precisas, normalmente muy cercanas a las dimensiones de la matriz, pero con una porosidad del 5 al 15% y, por lo tanto, propiedades de acero subforjado. Este método todavía se utiliza para fabricar alrededor de 1 Mt/año de componentes estructurales de aleaciones a base de hierro.
Hay varios otros procesos de PM que se han desarrollado durante los últimos cincuenta años. Éstas incluyen:
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 de cerámica o metal sólido duro 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 PM no comenzó hasta mediados o finales del siglo XIX. [5] En estas primeras operaciones de fabricación, el hierro se extraía a mano de la esponja metálica después de la reducción y luego se reintroducía como polvo para la fusión o sinterización final.
Se puede obtener una gama mucho más amplia de productos mediante procesos en polvo que mediante 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, para la aleación se requiere la fusión de todo el cuerpo de los materiales de partida, lo que impone restricciones químicas, térmicas y de contención no deseadas en la fabricación. Desafortunadamente, la manipulación de polvos de aluminio/hierro plantea grandes problemas. [6] Otras sustancias que son especialmente reactivas con el oxígeno atmosférico, como el titanio , son sinterizables en atmósferas especiales o con recubrimientos temporales. [7]
En pulvimetalurgia [8] o cerámica es posible fabricar componentes que de otro modo se descompondrían o desintegrarían. Se pueden ignorar todas las consideraciones sobre los cambios de fase sólido-líquido, por lo que los procesos en polvo son más flexibles que las técnicas de fundición , extrusión o forjado . Las características controlables de los productos preparados utilizando diversas tecnologías de polvo incluyen propiedades mecánicas, magnéticas [9] y otras propiedades no convencionales de materiales tales como sólidos porosos, agregados y compuestos intermetálicos. Las características competitivas del proceso de fabricación (por ejemplo, desgaste de herramientas, complejidad u opciones de proveedores) también pueden controlarse estrechamente.
Muchos productos especiales son posibles con la tecnología de pulvimetalurgia. Una lista no exhaustiva incluye bigotes de Al 2 O 3 recubiertos con capas de óxido muy finas para mejorar la refracción; compactos de hierro con revestimientos de Al 2 O 3 para mejorar la resistencia a la fluencia a alta temperatura; filamentos para bombillas fabricados con tecnología de polvo; forros para frenos de fricción; vasos 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 estar infiltrados con lubricantes .
Las películas extremadamente delgadas y las esferas diminutas exhiben una gran resistencia. Una aplicación de esta observación es recubrir materiales frágiles en forma de bigotes con una película submicrométrica de un metal mucho más blando (por ejemplo, tungsteno recubierto de cobalto ). La deformación superficial de la capa delgada somete al metal más duro a compresión, de modo que cuando se sinteriza todo el material compuesto, la resistencia a la rotura 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 no recubiertos, respectivamente .
Se puede atomizar cualquier material fusible. 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 final de granos. Los polvos pueden prepararse mediante trituración, molienda, reacciones químicas o deposición electrolítica. Los polvos más utilizados son los materiales a base de cobre y hierro. [10]
Se han obtenido polvos de los elementos titanio, vanadio, torio, niobio, tantalio, calcio y uranio mediante reducción a alta temperatura de los correspondientes nitruros y carburos . Los polvos submicrométricos de hierro, níquel, uranio y berilio se obtienen reduciendo oxalatos y formiatos metálicos . También se han preparado partículas extremadamente finas dirigiendo una corriente de metal fundido a través de un chorro de plasma o llama de alta temperatura , atomizando el material. Se adoptan varios procesos de pulverización químicos y asociados con llamas en parte para evitar una degradación grave de las superficies de las partículas por el oxígeno atmosférico.
En términos de tonelaje, la producción de polvos de hierro para la producción de piezas estructurales de PM eclipsa la producción de todos los polvos de metales no ferrosos combinados. Prácticamente todos los polvos de hierro se producen mediante uno de dos procesos: el proceso de esponja de hierro o la atomización con agua.
El más antiguo de estos procesos es el proceso de hierro esponja, el principal ejemplo de una familia de procesos que implican la reducción en estado sólido de un óxido. En el proceso, el mineral de magnetita (Fe 3 O 4 ) seleccionado se mezcla con coque y cal y se coloca en una retorta de carburo de silicio. Luego, la retorta llena se calienta en un horno, donde el proceso de reducción deja una “torta” de hierro y una escoria. En pasos posteriores, se vacía la retorta, se separa la esponja de hierro reducido de la escoria y se tritura y recoce.
El polvo resultante tiene una forma de partícula muy irregular, lo que garantiza una buena “ resistencia en verde ”, de modo que los compactos prensados pueden manipularse fácilmente antes de la sinterización, y cada partícula contiene poros internos (de ahí el término “esponja”) para que el buen estado en verde La resistencia está disponible a niveles bajos de densidad compactada.
El hierro esponja proporciona la materia prima para todos los rodamientos autolubricantes a base de hierro y todavía representa alrededor del 30% del uso de polvo de hierro en piezas estructurales de PM.
La atomización se logra forzando una corriente de metal fundido a través de un orificio a presiones moderadas. 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. El volumen colector se llena de gas para favorecer una mayor turbulencia del chorro de metal fundido. Las corrientes de aire y polvo se separan mediante gravedad o separación ciclónica . La mayoría de los polvos atomizados están recocidos, lo que ayuda a reducir el contenido de óxido y carbono. Las partículas atomizadas con agua son más pequeñas, más limpias, no porosas y tienen una mayor amplitud de tamaño, lo que permite una mejor compactación. Las partículas producidas mediante este método normalmente tienen forma esférica o de pera. Por lo general, también llevan una capa de óxido sobre ellos.
Hay tres tipos de atomización:
Se encuentran disponibles técnicas de atomización simples en las que se fuerza el metal líquido a través de un orificio a una velocidad suficientemente alta para asegurar un flujo turbulento. El índice de rendimiento habitual utilizado es el número de Reynolds :
donde ρ es la densidad del fluido, u es la velocidad de la corriente de salida, d es el diámetro de la abertura y μ es la viscosidad absoluta . A baja Re el chorro de líquido oscila, pero a velocidades más altas la corriente se vuelve turbulenta y se rompe en gotas. La energía de bombeo se aplica a la formación de gotas con muy baja eficiencia (del orden de1% ) y el control sobre la distribución del tamaño de las partículas metálicas producidas es bastante pobre. Otras técnicas, como la vibración de la boquilla, la asimetría de la boquilla, múltiples corrientes de impacto o la inyección de metal fundido en el gas ambiental, están disponibles para aumentar la eficiencia de la atomización, producir granos más finos y estrechar la distribución del tamaño de las partículas. Desafortunadamente, es difícil expulsar metales a través de orificios de menos de 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 cribado y refundición de una fracción significativa del límite del grano.
La desintegración centrífuga de partículas fundidas ofrece una forma de solucionar estos problemas. Disponemos de una amplia experiencia en hierro, acero y aluminio. El metal que se va a pulverizar 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 genera un arco que calienta la varilla de metal. A medida que el material de la punta se fusiona, la rápida rotación de la varilla arroja pequeñas gotas de fusión que se solidifican antes de golpear las paredes de la cámara. Un gas en circulación barre las partículas de la cámara. Se podrían emplear técnicas similares en el espacio o en la Luna. La pared de la cámara podría girarse para forzar el ingreso de nuevos polvos a recipientes de recolección remotos, [11] y el electrodo podría reemplazarse por un espejo solar enfocado en el extremo de la varilla.
Un enfoque alternativo capaz de producir una distribución muy estrecha de tamaños de grano pero con un rendimiento bajo consiste en un recipiente que gira rápidamente y se calienta muy por encima del punto de fusión del material a pulverizar. El metal líquido, introducido en la superficie del recipiente cerca del centro a velocidades de flujo ajustadas para permitir que una delgada película de metal se deslice uniformemente por las paredes y sobre el borde, se rompe en gotas, cada una de aproximadamente el espesor de la película. [12]
Otra técnica de producción de polvo implica un fino chorro de metal líquido intersectado 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 se seca el polvo. Esto se llama atomización del agua. La ventaja de la atomización con agua es que el metal se solidifica más rápido que mediante la atomización con gas, ya que la capacidad calorífica del agua es algunas magnitudes mayor que la de los gases. Dado que la velocidad de solidificación es inversamente proporcional al tamaño de las partículas, se pueden producir partículas más pequeñas mediante la atomización con agua. Cuanto más pequeñas sean las partículas, más homogénea será la microestructura. Observe que las partículas tendrán una forma más irregular y la distribución del tamaño de las partículas será más amplia. Además, puede producirse cierta contaminación de la superficie debido a la formación de piel de oxidación. El polvo se puede reducir mediante algún tipo de tratamiento de preconsolidación, como el recocido utilizado para la fabricación de herramientas cerámicas.
La compactación de polvo es el proceso de compactar polvo de metal en un troquel mediante la aplicación de altas presiones. Normalmente, las herramientas se mantienen en orientación vertical con la herramienta perforadora formando el fondo de la cavidad. Luego, el polvo se compacta para darle una forma y luego se expulsa de la cavidad de la matriz. [13] En varias de estas aplicaciones, las piezas pueden requerir muy poco trabajo adicional para su uso previsto; lo que hace que la fabricación sea muy rentable.
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), se han obtenido presiones de 1000 psi a 1000000 psi. Para la compactación de polvo metálico se utilizan comúnmente presiones de 10 t/in² a 50 t/in² (150 MPa a 700 MPa). Para lograr la misma relación de compresión en un componente con más de un nivel o altura, es necesario trabajar con varios punzones inferiores. Una pieza de trabajo cilíndrica se fabrica mediante herramientas de un solo nivel. Se puede crear una forma más compleja mediante las herramientas comunes de múltiples niveles.
Son habituales tasas de producción de 15 a 30 piezas por minuto.
Hay cuatro clases principales de estilos de herramientas: compactación de acción simple, utilizada para componentes delgados y planos; doble acción opuesta con dos movimientos de punzón, que se adapta a componentes más gruesos; doble acción con matriz flotante; y muere la retirada de doble acción. Las clases de acción doble dan una distribución de densidad mucho mejor que la acción simple. Las herramientas deben diseñarse de manera que resistan la presión extrema sin deformarse ni doblarse. Las herramientas deben estar fabricadas con materiales pulidos y resistentes al desgaste.
Se pueden obtener mejores materiales de pieza de trabajo reprimiendo y sinterizando.
La tecnología dominante para la formación de productos a partir de materiales en polvo, tanto en términos de tonelaje como de número de piezas producidas, es el prensado con matriz. Hay prensas mecánicas, servoeléctricas e hidráulicas disponibles en el mercado, siendo las prensas hidráulicas las que procesan el mayor rendimiento de polvo. Esta tecnología de conformado implica un ciclo de producción que comprende:
Este ciclo ofrece un proceso fácilmente automatizado y de alta tasa de producción.
Probablemente la consideración más básica es poder retirar la pieza del troquel después de presionarla, además de evitar esquinas afiladas en el diseño. Se recomienda mantener la superficie máxima por debajo de 20 pulgadas cuadradas (0,013 m 2 ) y la relación altura-diámetro por debajo de 7 a 1. Además de tener paredes de más de 0,08 pulgadas (2,0 mm) y mantener las proporciones de espesor de las paredes adyacentes por debajo de 2,5 a 1.
Una de las principales ventajas de este proceso es su capacidad para producir geometrías complejas. Las piezas con socavaduras y roscas requieren una operación de mecanizado secundaria. Los tamaños típicos de las piezas varían desde 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 cm 2 ) hasta 20 pulgadas cuadradas (130 cm 2 ). de área y de 0,1 a 4 pulgadas (0,25 a 10,16 cm) de longitud. Sin embargo, es posible producir piezas de menos de 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 cm 2 ) y mayores de 25 pulgadas cuadradas (160 cm 2 ). de área y desde una fracción de pulgada (2,54 cm) hasta aproximadamente 8 pulgadas (20 cm) de longitud.
La consolidación por choque, o consolidación dinámica, es una técnica experimental de consolidación de polvos mediante ondas de choque de alta presión. [14] [15] Estos se producen comúnmente impactando la pieza de trabajo con una placa acelerada explosivamente. A pesar de haber sido investigada durante mucho tiempo, la técnica todavía tiene algunos problemas de controlabilidad y uniformidad. Sin embargo, ofrece algunas ventajas potenciales valiosas. Por ejemplo, la consolidación se produce tan rápidamente que se pueden conservar microestructuras metaestables. [dieciséis]
La compactación isostática de polvo es un proceso de conformación que conserva la masa. Las partículas finas de metal se colocan en un molde flexible y luego se aplica una alta presión de fluido al molde, en contraste con la presión directa aplicada por las caras del troquel en un proceso de prensado. Luego, el artículo resultante se sinteriza en un horno que aumenta la resistencia de la pieza al unir las partículas metálicas. Este proceso de fabricación produce muy poca chatarra y se puede utilizar para crear muchas formas diferentes. Las tolerancias que puede lograr este proceso son muy precisas y van desde +/- 0,008 pulgadas (0,2 mm) para dimensiones axiales y +/- 0,020 pulgadas (0,5 mm) para dimensiones radiales. Este es el tipo de compactación de polvo más eficiente (las siguientes subcategorías también son de esta referencia). [13] Esta operación generalmente sólo es aplicable en pequeñas cantidades de producción, aunque el costo de un molde es mucho menor que el de los troqueles de prensado, generalmente no es reutilizable y el tiempo de producción es mucho más largo. [17]
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 2000 psi (14 000 kPa) a 10 000 psi (69 000 kPa) para los no metales. La densidad de las piezas compactadas isostáticas es entre un 5% y un 10% mayor que con otros procesos de pulvimetalurgia. Los tamaños típicos de piezas de trabajo varían de 6,35 mm (0,25 pulg.) a 19,05 mm (0,75 pulg.) de espesor y 12,70 mm (0,5 pulg.) a 254 mm (10 pulg.) 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 0,0625 pulgadas (1,59 mm) a 40 pulgadas (1016 mm) de largo.
Las ventajas sobre la compactación en 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 las variaciones de espesor de pared, socavados , relieves, roscas y orificios transversales. No se necesitan lubricantes para la compactación de polvo isostático. 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 una contracción del polvo del 25 al 45% después de la compactación.
El prensado isostático en caliente (HIP) comprime y sinteriza la pieza simultáneamente aplicando calor que oscila entre 900 °F (480 °C) y 2250 °F (1230 °C). El argón es el gas más común utilizado en HIP porque es un gas inerte, por lo que evita reacciones químicas durante la operación. Este procedimiento, junto con 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. En la mayoría de las aplicaciones de pulvimetalurgia [18] el compacto se prensa en caliente y se calienta a una temperatura por encima de la cual los materiales no pueden permanecer endurecidos. El prensado en caliente reduce las presiones necesarias para reducir la porosidad y acelera los procesos de soldadura y deformación del grano. 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. 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 frecuente necesidad de atmósferas protectoras durante las etapas de formación y enfriamiento.
El prensado isostático en frío (CIP) utiliza fluido como medio para aplicar presión al molde a temperatura ambiente. Después del desmontaje, todavía es necesario sinterizar la pieza. Es útil para distribuir la presión uniformemente sobre el material de compactación contenido en una bolsa de goma.
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 generalmente no se utiliza para trabajos de alta producción. En el utillaje de molde libre, el molde se retira y se llena fuera del recipiente. La bolsa húmeda es donde se encuentra el molde 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.
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. [2]
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. [19] Si la temperatura está por encima del punto de fusión de un componente en la pieza de polvo metálico, el líquido de las partículas fundidas llena los poros. Este tipo de sinterización se conoce como sinterización en estado líquido. [2] 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 herramientas en las que pueden ser necesarias dimensiones específicas. Lo más común es que la pieza sinterizada se contraiga y se vuelva más densa, pero también puede expandirse o no experimentar ningún cambio neto. [19]
La principal fuerza impulsora de la sinterización en estado sólido es un exceso de energía libre superficial. El proceso de sinterización en estado sólido es complejo y depende del material y de las condiciones del horno (temperatura y gas). Hay seis etapas principales en las que se pueden agrupar los procesos de sinterización y que pueden superponerse entre sí: 1 unión inicial entre partículas, 2) crecimiento del cuello, 3) cierre del canal de poro, 4) redondeo de poro, 5) densificación o contracción de poro, y 6 ) engrosamiento de los 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 . [19]
La mayoría de los hornos de sinterización contienen tres zonas con tres propiedades diferentes que ayudan a realizar 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 elevar lentamente la temperatura de los materiales compactos. Si la temperatura de las piezas compactas aumenta demasiado rápido, el aire en los poros tendrá 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 bajar 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 se encuentran 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 realizarse 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 previene la formación de óxido. [2]
Durante este proceso, se incrementan una serie de características que incluyen la resistencia , ductilidad , tenacidad y conductividad eléctrica y térmica del material. Si se compactan y sinterizan diferentes polvos elementales, el material formaría aleaciones y fases intermetálicas. [2]
A medida que disminuye el tamaño de los poros, aumentará la densidad del material. Como se indicó anteriormente, esta contracción es un gran problema al fabricar 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. Si bien, la sinterización no agota la parte compacta de porosidad . En general, las piezas de metal en polvo contienen entre un cinco y un veinticinco por ciento de porosidad después de la sinterización. [2]
Para permitir un apilamiento eficiente del producto en el horno durante la sinterización y evitar que las piezas se peguen, muchos fabricantes separan los productos utilizando láminas separadoras de polvo cerámico. Estas láminas están disponibles en diversos materiales como alúmina, circonio y magnesia. También están disponibles en tamaños de partículas finas, medianas y gruesas. Al hacer coincidir el material y el tamaño de las partículas con los productos que se sinterizan, se pueden reducir los daños superficiales y la contaminación, al tiempo que se maximiza la carga del horno por lote.
Una técnica desarrollada recientemente para la sinterización a alta velocidad implica pasar una corriente eléctrica elevada a través de un polvo para calentar preferentemente las asperezas . La mayor parte de la energía sirve para fundir la parte del compacto donde es deseable la migración para la densificación; Los materiales a granel y la maquinaria de formación absorben comparativamente poca energía. Naturalmente, esta técnica no es aplicable a los polvos eléctricamente aislantes.
Estas técnicas emplean corrientes eléctricas para impulsar o mejorar la sinterización. [20] A través de una combinación de corrientes eléctricas y presión mecánica, los polvos se sinterizan más rápidamente, reduciendo así el tiempo de sinterización en comparación con las soluciones térmicas convencionales. Las técnicas se pueden dividir en dos categorías principales: sinterización por resistencia, que incorpora sinterización por plasma por chispa y prensado en caliente ; y sinterización por descarga eléctrica, [21] como la sinterización por descarga de condensadores o su derivado, la forja por electrosinterización . Las técnicas de sinterización por resistencia son métodos de consolidación basados en la temperatura, donde el calentamiento del molde y de los polvos se realiza mediante corrientes eléctricas, normalmente 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 eléctricamente conductores, con un tiempo característico de entre decenas de microsegundos y cientos de milisegundos.
En sentido estricto, la expresión "proceso continuo" debería utilizarse únicamente para describir modos de fabricación que podrían prolongarse 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, la laminación y la extrusión son los ejemplos más comunes.
En un proceso de compresión simple, el polvo fluye desde un contenedor hacia un canal de dos paredes y se comprime verticalmente repetidamente mediante un punzón estacionario horizontal. Después de retirar la compresa del transportador, la masa compactada se introduce en un horno de sinterización. Un método aún más sencillo es rociar polvo sobre una cinta en movimiento y sinterizarlo sin comprimirlo. Sin embargo, es difícil encontrar buenos métodos para extraer materiales prensados en frío de las correas en movimiento. Una alternativa que evita por completo la dificultad de quitar la correa es la fabricación de láminas de metal utilizando arietes hidráulicos opuestos , aunque pueden surgir líneas débiles a lo largo de la lámina durante operaciones sucesivas de prensa. [ 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 [ se necesita más explicación ] y se compacta en forma de tiras a una velocidad de hasta 100 pies por minuto (0,5 m/s). A continuación se sinteriza la banda y se somete a otro laminado y a una nueva sinterización. 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 para enrollar múltiples capas de diferentes materiales simultáneamente en láminas. [ cita necesaria ]
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 brocas 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 extrusiones grandes en función del tonelaje.
Para metales más blandos y fáciles de formar, como aleaciones de aluminio y cobre, la extrusión continua también se puede realizar utilizando 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 un troquel de formación. A través de 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 un funcionamiento totalmente continuo siempre que se pueda introducir el polvo en el proceso. [22]
Parece no haber limitación para la variedad de metales y aleaciones que pueden extruirse, siempre que las temperaturas y presiones involucradas estén dentro de las capacidades de los materiales del molde. Las longitudes de extrusión pueden oscilar entre 3 y 30 m [23] y los diámetros entre 0,2 y 1 m. Las prensas modernas son en gran medida automáticas y funcionan a altas velocidades (del orden de m/s).
Los materiales y procesos especiales utilizados en la pulvimetalurgia pueden suponer un peligro para la vida y la propiedad. La alta relación superficie-volumen de los polvos puede aumentar su reactividad química en exposiciones biológicas (por ejemplo, inhalación o ingestión) y aumenta el riesgo de explosiones de polvo . Los materiales considerados relativamente benignos a granel pueden plantear riesgos toxicológicos especiales cuando están finamente divididos. 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. [24]
