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 uso importante es la consolidación de herramientas de corte de compuestos de metal y diamante y cerámica técnica . La densificación se produce mediante la reordenación de las partículas y el flujo plástico en los contactos de las partículas. En la mayoría de los casos, el polvo suelto o la pieza precompactada se introduce en un molde de grafito que permite el calentamiento por inducción o resistencia hasta temperaturas típicas de 2400 °C (4350 °F). Se pueden aplicar presiones de hasta 50 MPa (7300 psi). Otro gran uso es el prensado de diferentes tipos de polímeros.
Dentro de la tecnología de prensado en caliente, se pueden encontrar en uso tres tipos claramente diferentes de calentamiento: calentamiento por inducción , calentamiento por resistencia indirecta y técnica de sinterización asistida en campo (FAST)/prensado directo en caliente.
En este proceso se produce calor dentro del molde cuando se somete a un campo electromagnético de alta frecuencia, generado mediante el uso de una bobina de inducción acoplada a un generador electrónico. El molde está hecho de grafito o acero y uno o dos cilindros aplican presión 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 fase líquida son aptos para este proceso y también son posibles presiones bajas. Entre las desventajas se encuentran 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 será desigual. Pero la principal desventaja es la dependencia del proceso de un buen acoplamiento inductivo y de la conductividad térmica del molde. El campo magnético puede penetrar el molde sólo entre 0,5 mm y 3 mm. A partir de ahí, el calor tiene que ser "transportado" al interior del molde a través de 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 inductiva no es el mismo a lo largo del perfil del molde. Otro problema potencial es la velocidad de calentamiento. Una tasa de calentamiento demasiado alta dará como resultado altas 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 . A medida que 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 que se pueden alcanzar altas temperaturas, independientemente de la conductividad del molde e independientes del calor y la presión. La principal desventaja es el tiempo que lleva calentar el molde. Se necesita relativamente tiempo para que se produzca la transferencia de calor desde la atmósfera del horno a la superficie del molde y posteriormente a lo largo de toda la sección transversal del molde.
La idea básica de sinterizar con corriente eléctrica a través del molde es bastante antigua. El calentamiento por resistencia de polvos de carburo cementado fue patentado por Tayler [2] ya en 1933. Actualmente, este método está despertando un renovado interés. La corriente puede ser CC o CA pulsada o no pulsada. Sinterización por plasma por chispa (SPS) es un nombre común para esta técnica; sin embargo, es técnicamente incorrecto ya que hasta ahora no se ha validado ninguna chispa ni plasma. Otros nombres comunes para esta técnica son Sinterización por Corriente Directa, Prensado Rápido en Caliente, Prensado Directo en Caliente, entre otros. Todas estas técnicas se resumen bajo el término genérico "Técnica de Sinterización Asistida en Campo (FAST)". [3]
La razón de peso para acortar el tiempo del ciclo fue evitar el crecimiento del grano y también ahorrar energía. En el prensado directo en caliente, el molde se conecta directamente a la energía eléctrica. La resistividad del molde y la parte en 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 posibles tiempos de ciclo cortos de unos pocos minutos. Además, este proceso reduce el umbral de temperatura y presión de sinterización en comparación con los requeridos 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 de sinterización mejorados (en comparación con el prensado en caliente convencional) mediante 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 propia densidad de corriente eléctrica (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 máximo de un valor significativamente mayor que una corriente continua con potencia de calefacción comparable. [ cita necesaria ]
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 sialon . 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 sólo pueden mantenerse a altas temperaturas brevemente o a procesos que requieren velocidades de calentamiento rápidas para una alta productividad.
Con la tecnología de prensado directo en caliente, los materiales se pueden sinterizar hasta su densidad final. La precisión cercana a la forma neta que se logra es muy alta y a menudo elimina el retrabajo mecánico de materiales que a menudo son difíciles de procesar.
En la industria de materiales de fricción, el prensado directo en caliente 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 principalmente en camiones pesados, barcos, 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 trabajos de desarrollo recientes incluyen disipadores de calor compuestos de metal, diamante, por ejemplo en aplicaciones LED y láser. La sinterización de compuestos de metal y diamante con prensas directas en caliente se remonta a la década de 1950 y desde entonces se practica habitualmente en la industria de herramientas de diamante.
