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TEMA 6. CONFORMADO Y COMPACTACIÓN

ESQUEMA:

-Introducción-Moldeo por inyección-Otros procesos basados en ligantes orgánicos-Fenomenología de la compactación-Compactación convencional-Bases teóricas-Relaciones paramétricas-Influencia del material y las caracteristicas del polvo-Tecnología de compactación-Ejemplos

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Introducción

Casi todas las aplicaciones P/M requieren la eliminación total de la porosidad. Esto puede hacerse mediante:

-Densificación por sinterización de compactos de baja densidad-Prensado en frío a elevada densidad + sinterizado-Full density: prensado y sinterizado simultáneos

El conformado en frío a baja presión (polvos de elevada sinterabilidad : finos) requiere el uso de un ligante orgánico para mantener la forma de la pieza durante su transporte y sinterización:

-Moldeo por inyección-Tape casting-Slip casting-Pressure filtration-Transfer molding-Extrusion-Sublimación+Sinterización

Estos métodos son similares en lo que concierne a: tipo de polvo, formulación del ligante orgánico, dispersantes, homogeneidad de la mezcla, reología y variables del proceso.

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Moldeo por inyección

Tamaños < 20 micrasLigantes: mezclas termoplasticas de ceras,

polimeros, aceites, lubricantes y surfactantesLlenado y densidad en verde uniformes.Forma y tolerancia iguales a las de los

plasticos inyectados (mejores prestaciones).

Esquema inyector

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Moldeo por inyección: Formulación de la mezcla

Secuencia de moldeo

Polvo fino: carbonyl, reducción oxidos, atom. Gas < 15 µm

Binder: polimero termoplástico (70% parafina-30% polipropileno+lubricantes+agentes de mojado para un correcto mezclado con el polvo. Fusión:150ºC) o base agua. 40% volumen = 6% en peso en el caso del acero.

Objetivo: alta densidad y baja viscosidad (<100 Pa.s)-Depende de: T, dε/dt, %solidos, agentes de mojado

INHOMOGENEIDAD LLENADOPOROSIDAD

EXCESO BINDER:PERDIDA DE FORMA

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Moldeo por inyección: Proceso de conformado

Parámetros: velocidad de llenado, presión máxima (hasta 60 MPa), temperatura mezcla (130ºC-190ºC), tiempo de mantenimiento.

Molde frío

,KPQ

η=

Q : flujo de masa en el moldeη: viscosidad mezclaK: depende de geometría

Cilindro longitud L y diametro d4128

dLK

π=

3WtLK = Rectangulo anchura W y espesor t

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Moldeo por inyección: Proceso de conformado

dε/dt elevados: separación entre binder y polvo. Lubricación no homogéneaPresurización: mantenimiento y extracción. Defectos por aumento de viscosidad en contacto con molde frio y contracción en el enfriamiento.

Los moldes tienen orificio para la salida del aire que deben ser los últimos en llenarse.Lazos de control y modelizaciónpara evitar defectos

Ej: pieza de 40 g.Tiempo total del ciclo de PIM. 37 s: Enfriamiento 17 segundos

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Moldeo por inyección: Proceso de conformado

Debinding: térmico y por disolución parcial (ver figura).Térmico: es el más tipico en metales con temperaturas desde 450ºC a 600ºC en aire, hidrógeno o vacío.Sinterizado: temperaturas más altas para obtener cierre de porosidad. Contracción homogenea si la densidad en verde lo es. Propiedades superiores a otras rutas P/M

Restos de binder tras disolución parcial

Aplicaciones: -Producción de piezas de forma compleja y elevadas prestaciones mecánicas (ρ elevada)-Importante: nº cavidades por molde. Todas con igual distancia a la boquilla

PIM: Conformado de carácter hidrostático

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Otras técnicas basadas en el uso de polimeros. Mezclas pastosas (slurries)

Piezas de gran tamaño (Baja presión) para que las fuerzas de clamping sean razonables (PIM sólo viable en piezas mas pequeñas)

Tape casting y extrusión permiten obtener láminas finas de producto (sustratos catalíticos y tubos para filtros).

Gel casting: polvo+agua+componente gelificador (agua, alginato (Agargel),surfactante). (menor carga de solidos que PIM, mucho más fluido: 10 Pa.sACIDEZ). El secado se produce por capilaridad en los poros del molde (Paris plaster: sulfato de Ca hidratado).(0.1 micra tamaño poro). Varias horas: posible segregación por tamaños. (tiempo de secado: tiempo1/2)

Lento pero el utillaje es barato y el tamaño de las piezas puede ser muy grande. Tolerancia dimensional +/- 1%. No uniforme al depender de la gravedad.

Otros binders: agua+alcohol polivilinico, agua + celulosa, acetato+Cl4C

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Otras técnicas basadas en el uso de polimeros. Mezclas pastosas (slurries)

Pressure filtration (slip casting + presion), Tape casting (binders acrilicos, ceras, alcohol polivinilico, PVB: Mowital). Como en el resto los dispersantes son críticos para evitar la aglomeración del polvo.

Tape casting

Sublimación: Basados en agua. Presión y Temperatura por debajo del punto triple (enfriamiento en vacío). El agua se sublima sin cambio de volumen que podriaromper la pieza. La mezcla contiene otros polimeros para dar resistencia al compacto. (Cambios bruscos de temperatura pueden llevar a roturas). LENTO

Extrusion: (Hibrido PIM+slurry). Especial para tubos y barras.Compression molding: producto de extrusión trocedado y compactado uniaxialTransfer molding: aplicación de presión mediante un gas

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Fenomenología de la compactación

Objetivo: Aumentar la densidad por encima de la tap density (PIM NO).

Endurecimiento por deformaciónNº de coordinación sube en el reordenamiento (Nc)Facilitado por superficies lisas y duras

1º: deformación elástica: Esta energía permanece almacenada hasta la extracción2º: deformación plástica: aumenta en area de los contactos entre partículas

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Fenomenología de la compactación

Las zonas de contacto presenta una geometría circular (X diam. contacto):

D: diametro promedio, ρ0 densidad inicial (X=0)La resistencia mecánica (en verde) depende de las tensiones de cizalla en los

contactos

213201

//

DX

−=

ρρ

Al comienzo: Nc: 6 – 7Despues: 38041014 .

c .N ε⋅−=

Nc Experim: 13.4-14.250-100 MPa

0.03 MPa10% red. poros

LIM: 90% red. poros

ε = 1 - ρ

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Fenomenología de la compactación

La forma inicial del polvo era esférica

En metales con deformación plastica muy elevada o en cerámicos, se puede producir densificación por fragmentación. Esto no mejora la resistencia del verde

La dureza y el endurecimiento son fundamentales para la compactación. Las partículas pequeñas no compactan bien: mayor fricción entre particulas y mayor indice de endurecimiento

A presiones de 1 GPa se lográ gran deformación plastica. Por encima de este valor no se notan mejoras. En la extracción se relaja la energía elástica (springback ∼ P2)(0.3% de la dimensión de la matriz) El material se dilata (no cabe en la matriz una vez extraido). POSIBLE RIESGO DE ROTURAS

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Compactacion convencionalVariaciones de fluidez o

densidad aparente (tap) = variaciones de altura

Formas muy complejas: varios punzones (cilindros para agujeros)

Desgaste matricería: lubricación.HSS o metal duroCentro

del die

MEJORA DE LA UNIFORMIDAD DE PRENSADO:-Prensado de doble acción: se mueven los dos punzones: superior e inferior.(si solo se mueve 1, “single action pressing”)-Matriz flotante (durante el prensado la pieza se mantiene en el centro de la matriz permitiendo el mov. relativo entre ésta y los punzones.

RELACION DE COMPRESIÓNCálculo de Fill position : Hf / Hi =ρi /ρf

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Compactacion convencional

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ρf y Hf dependen de la presión

0

50

100

0 200 400 600 800

Presssure

Den

sity

(%T

D)

Fill density (ρi)

Upper punch

Matrix

Lower punch

Powder HiHf

Upper punch

Matrix

Lower punch

Powder HiHf

Compactacion convencional

Tipos de prensas:-Hidraulicas-Mecanicas (husillos)-Rotatorias-Isostáticas-Impacto (anvil)

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Bases teóricas

dx

Po

Po-dP

Fn

Ff

Efecto de la fricción del polvo con la pared de la matriz

En equilibrio :

AtdP=-Ff=-µFn

0F=∑

Upper punchMatrix

Lower punch

dx

Pa

Upper punchMatrix

Lower punch

dx

Pa

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AtdP=-Ff=-µFndonde Fn es la fuerza normal , µ el coef. De fricción entre la masa de polvo y las piezas móbiles de la matriz y dP=Po-P.

Pr (presión radial) y Al area lateral Fn=AlPr

Para un cilindro:

dP=-µ AlPr/At Pr=KPP: presión axial y K es el factor de proporcionalidad

dP= -µ AlPr/At= -4µlKP(dx/D) dxD

dxK4PdP H

0

P

Pa

∫∫ −=Dµ

Bases teóricas

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DHK4

PPln

a

x µ−=DHK4-expPP ax µ=

2>H/D>1H/D<1H/D elevado mayor gradiente de presión

MAYOR GRADIENTE DE DENSIDAD

∴

00,20,40,60,8

1

0 0,5 1 1,5 2

H/D

Px/P

a

4µK=0.75

4µK=1

4µK=0.15

Bases teóricas.

Gradiente de presiones: single action pressing

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Bases teóricas.

Confirmación experimental

H/D =2

Px

H / D

1.8

1.6

1.21.4

0.6

0.81.0

2.0

0.2

0.4727,8706,3685,4665,2645,5626,5607,9590,0572,5555,6

Pa=750 MPa

0

200

400

600

800

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2

H/D

P x

Pa = 750 MPaPa=650 MPaPa=450MPaPa=300MPaPa=150MPa

0

200

400

600

800

0 0,5 1 1,5 2

H/D

P X

Pa=750MPaPa=650MPaPa=450MPaPa=300MPaPa=150MPa

EFECTO DE LA PRESIÓN APLICADA

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Bases teóricas.

EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN H/D = 1

4µ K=0,5 µ = 0,375 K=0,33

H/D = 1

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Pa at top surface

Px a

t H/D

=1

CILINDRO H/D = 2 y Pa=750 MPa.

Equivalente a la evolución de la presión en el planoneutro en double action pressing

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Bases teóricas.

DADHKP

SADHKP

−=

−=

µσ

µσ

1

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GEOMETRÍAS H/D > 5 SOLO SOR ABORDABLES POR CIP

TENSION DE COMPACTACIÓNPROMEDIO

Cu-44µm-140 MPaZonas aplastadas. No soldadura en frío

Superficie de fractura de un polvoAtomizado por agua

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Objetivos de la compactación. Calculo de K

u = µDHKµ

La fricción con las paredes de la matriz domina para contenidos bajos de ligante orgánico

Pr = Pa (0,11 + 6 * 10-4 Pa)

Polvo no lubricado

Pr = Pa (0,18 + 6 * 10-4 Pa)

con 1% acrawax0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 200 400 600 800

P axial

Pr/P

a unlubricated 1% acrawax

K

23

H/D = 1µ = 0.3K = 0.3

DISTRIBUCION DE DENSIDAD

Objetivos de la compactación. Homogeneidad

DISTRIBUCION DE PRESIONSingle action pressing

Ej: cilindros de Cu

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Relaciones paramétricas. Densidad verde vs. P

0

50

100

0 200 400 600 800

Presssure

Den

sity

(%T

D)

Fill density (ρi)

dε es la reducción de porosidad producido por dP and θ es cte. ε = 1-ρ.

dP - d θεε =

∫∫ −=P

dPd

o 0

θεεε

ε

Pln o θρρ

=−

−

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NO CONSIDERA LOS FENÓMENOS FÍSICOS ANTES DESCRITOS

•Reordenamiento•Deformación local en los puntos de contacto•Endurecimiento•Compresión

Heckel

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Relaciones paramétricas. Densidad verde vs. P

LOG

100-125 µm

ρ= AP 2/3 - B ρ= ρ0+ AP 3/2

ρ= ρ0+ AP 1/3 ρ= AP m - B

ρ= (1- ρ0 )exp (-θP) ρ= [A+Blog(P)]-1

ρ= ρ0 (1+AP)/(1+BP) ρ= A-BP+ CP 1/2

Endurecimiento P > 300 MPa

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ρ= a - bP + c √P

Px (presión promedio en el elemento ∆x) ρpromedio en dicho segmento ∆x = xi- xi-1 valdría

ρx = a - bPx + c √Px

xi-1

xi

xi+1

Relaciones paramétricas. Densidad verde vs. P

Evolucion de ρ en el plano H/D = 1 Pa=750 MPa.

5,74

4,96

7,34

6,71

At 150MPa At 750MPa

For K = 0,5

5,74

4,96

7,34

6,71

At 150MPa At 750MPa

For K = 0,5

a=2,774 g/cm3; b= 0,005 g/cm3/MPa; c=0,3037 g/cm3/√MPa *

ASC 100.29

4

5

6

7

8

0 200 400 600 800

Pa at upper surface

Dens

ity

K=0,5 K=0,33 At surface

For H / D = 1

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Relaciones paramétricas. Densidad verde vs. P. Otras geometrías

Di

De

Di

De

ANILLO CILÍNDRICO

ieax DD

HK4-expPP−

= µ

0

0,5

1

0 0,5 1 1,5 2

H/De

P x/P

Di=0,9De

Di=0

Di=0,5De

K4µ = 0,15

Paredes delgadas y alturas grandes son DESFAVORABLES PARA

COMPACTACIÓN

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Gradiente de densidad en anillo con H/De = 2

Rings 4µK=0,5

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

0 0,5 1 1,5 2

H/De

Dens

ity Di=0,2 DeDi=0,5 DeDi=0,8 De

Data for ASC 100.29

Density evolution during compaction for a ring with Di=0.8De

2,50

3,50

4,50

5,50

6,50

7,50

0 150 300 450 600 750

P applied at upper surface

Den

sity

g/c

m3

At H/D=1Upper surface

ρ= a - bP + c √P

29

dP=-µ AlPr/At

Al= uH, donde Haltura u perímetro en contactocon la matriz.

xA

K udxA

KuPdP

t

x

0 t

P

Pa

µµ−=−= ∫∫

Relaciones paramétricas. Densidad verde vs. P. Otras geometrías

a

l

H

At= a * l

utotal= 2 (a+l)

for 0 ≤ x ≤ Hand a ≤ l

tax A

xKu-expPP µ=

)ax(aK2-expP/P ax

l

l+= µ

30

l toma el valor 1 y µ = 0,375

x/a K constantes, si aumenta l (es decir si disminuye a/l ) se produce unamejor transmisión de presión: es decir Px/Pa aumenta

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,5 1 1,5 2x/a

Px/P

aK=0,1

K=0,5

a ≤ la=0,25 la=0,5 la=l

Relaciones paramétricas. Densidad verde vs. P. Otras geometrías

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At= πr2-(3/2)b2cot 30

utotal= 2 (π r + 3b)

At= πr2-3ri2cos30

utotal= 2πr -6ri

where ri =Di / 2

)]rx(

)6

cosf3(

)3f(2Kexp[-P/P2

ax ππ

πµ−

+=Di

D

f=ri / r

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,5 1 1,5 2

x/D

Px/P

a

ri=0 ri=0,25 r ri=0,5 r ri=0,75 r

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Compactacion convencional. Clasificación por complejidad geométrica

HCLASE 1

Single action pressing

Altura límite ≈6,5mm

Rings, cylinders, U and Ω shapes, etc.

Di

De

H/D>1

CLASE 2

Double action pressing

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Compactacion convencional. Clasificación por complejidad geométrica

CLASE 3. Double actionDOS NIVELES

PIÑONES, GUIAS, ENGRANAJES

34

Compactacion convencional. Clasificación por complejidad geométrica

CLASE 4. Double actionDOS NIVELES

VARIOS PUNZONESPIÑONES, GUIAS, ENGRANAJES, PISTONES

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One Two Three

Compactacion convencional. Clasificación por complejidad geométrica

POSICIÓN DE LA LINEA NEUTRA A DISTINTOS NIVELES.PUNZONES MULTIPLES. CUIDADO CON CONCENTRADORES DE TENSIONES

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Upper punch

Matrix

Lower punch(es)

Powder Hi1

Hi2

Din

Upper punch

Matrix

Lower punch(es)Lower punch(es)

Powder Hi1

Hi2

DinDinDin

Hf / Hi =ρi /ρf

Compactacion convencional. Clasificación por complejidad geométrica

Si fuese un único punzón habría un importante gradiente de densidad

FINAL

Hf1

Hf2

Din

FINAL

Hf1

Hf2

Din

Hf1Hf1

Hf2Hf2

DinDinDin

ρ1 = ρ2

dρ1 / dt = dρ2 / dt

CONDICIONES PARA CONTRACCIÓN HOMOGÉNEA

CONTROL MOVIMIENTO PUNZONES COMPLEJO:TIEMPO Y dP/dt

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Compactacion convencional. Clasificación por complejidad geométrica

1 2

3 4

38

Compactacion convencional. Resistencia de los compactos en verde

En el caso de metales:

La resistencia en verde depende de los contactos entre partículas

Disminuye con la adición de lubricante y con la presencia de capas de óxidos

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Influencia del material y características del polvo

Los polvos finos son más difíciles de compactar:-los poros pequeños colapsan a mayor presión-Las partículas pequeñas tienen mayor indice de endurecimiento-Por tanto la velocidad de densificación con P es menor

Los polvos esponja son gruesos pero tienen porosidad interna: al principio muestran compresibilidad elevada pero el comportamiento es peor a presiones elevadas cuando solo quedan los poros internos pequeños

Los polvos pequeños, esponja o duros presentan mayor springback: mayor riesgo de rotura en extracción

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Influencia del material y características del polvo

SIEMPRE QUE SEA POSIBLE MEJOR USAR MEZCLAS ELEMENTALES

DUREZA: FRACTURA

PARÁMETROS CRÍTICOS: TAMAÑO PARTICULA,

DUREZA, LÍMITE ELÁSTICO, ENDURECIMIENTO Y FORMA

Mezclas de polvos: conectividad fase dura(D fase dura grande, menor efecto)

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Tecnología de compactación

1- ROTURAS POR SPRINGBACK: SE EXTRAE BAJO PRESION P = 1/3 Pa

( )

+⋅= 1271

DKH.

DKHshapectem

µµσ

σm < σ verde

2- LAS PRENSAS DE HUSILLOS REQUIEREN UN MAYOR CONTROL DE LA CALIDAD DEL POLVO (LLENADO UNIFORME)

LAS PRENSAS HIDRAÚLICAS SON MÁS LENTAS PERO PRESENTAN MAYOR CONTROL EN ALTURAS (PEOR EN AXIAL)

3- LLENADO: OVERFILLING. PIEZAS PEQUEÑAS. POLVO CON MALA FLUIDEZUNDERFILLING: CUANDO SE USAN PUNZONES ESBELTOS. SE PERMITE QUE EL PUNZON ENTRE EN LA MATRIZ UN POCO PARA QUE LE DE SOPORTE LATERAL ANTES DE PRESURIZAR.

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Tecnología de compactación. Utillajes

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Tecnología de compactación. Tecnologías alternativas

CIP: Cold Isostatic Pressing 350-1400 MPa Molde seco vs. Molde húmedoPRODUCTIVIDAD

MOLDE HÚMEDO

TECNICA COMUN A METALES, CERAMICAS Y CERMETS

PIEZAS DE GRAN TAMAÑOMAYORES PRESIONES: MAYORES

RESISTENCIAS Y MENORES GRADIENTES QUE EN DIE COMPACTION

MENOR CONTROL DIMENSIONAL Y RAPIDEZ

LLENADO (MALA FLUIDEZ)RIGIDEZ BOLSA (GROSOR PARED)CIERRES RÍGIDOSDENSIDAD APARENTE ELEVADABAJA RESISTENCIA EN VERDE

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Tecnología de compactación. Tecnologías alternativas

TOLERANCIAS: +/-0.07 mm (+/-0.01mm y menores)DISEÑO LO MAS SENCILLO POSIBLE: QUE FACILITE

EL FLUJO DE POLVO Y LA EXTRACCIÓN DEL COMPACTO

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Ejemplos

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