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10/3/2008

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Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M1

Tema 8. Procesado de materiales metálicos por tecnología de polvos

Procesado de Procesado de Procesado de Procesado de metales metales metales metales en forma de partícula en forma de partícula en forma de partícula en forma de partícula

Introducción: Definición

Esquema principal del proceso de obtención

Principales familias de metales procesados por PM:

Aleaciones férreas

Aleaciones Ligeras

Aleaciones base Cu

Otro tipo de materiales


“Materiales inorgánicos constituidos por átomos de metal (+↓% no metal) unidos por enlace metálico”

Introducción: Propiedades de los materiales metálic os


Esquema del proceso de procesado por tecnología de polvos

ALEACIONES FÉRREAS

• Aceros de baja aleación

• Aceros de herramientas• Aceros inoxidables

ALEACIONES LIGERAS

• De Aluminio

• De Titanio

ALEACIONES BASE Cu

• Cobres• Bronces

Otros

•MC de matriz metálica•Metal Duro•SuperaleacionesBase Ni


Familias de materiales metálicos procesados por TP


Aleaciones férreas: Hierro sinterizado

� Hierro esponja:� Rm 170-215 Mpa si se ha compactado a 600 MPa.

� Se mejora mucho con doble compactación-doble sinterización

Las propiedades del sinterizado dependerán de:� Composición química: pureza, C y %O2.� Distribución y tamaños de partícula.

� Parámetros influyentes en la porosidad primaria: densidad aparente, compresibilidad.

� Hierro atomizado:� Mayor compresibilidad.� Mayor densidad.� Mayor Rm-σy y alargamiento.

Höganäs AB, PM School, www.hoganas.com Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M6

Aleaciones férreas: Hierro sinterizado

Fe reducido, Fe reducido, PP compcomp 690 690 MPaMPa, , ρρρρρρρρsinsintt 7,0 g/cm7,0 g/cm 33 Fe atomizado, Fe atomizado, PP compcomp 392 392 MPaMPa, , ρρρρρρρρsintsint 7,0 7,0 g/cmg/cm 33

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Aleaciones férreas: Fe-C

• El carbono se introduce en los sistemas de aleación de 4 formas fundamentalmente:� Grafito �� Es el método más usual, hay que controlar su pureza (puede

contener trazas de SiO2) y su tamaño (5-7 µm)

� Sinterizando en atmósfera carburante� Como adición de fundición, o carburos � introducción simultánea de

Elementos de aleación

� Carburización de muestras sinterizadas de elevada porosidad.

%Carbono añadido %Carbono combinado

Pérdidas Pérdidas ~0.~0.2% por reducción de óxidos 2% por reducción de óxidos superficiales y por reacción con la atmósferasuperficiales y por reacción con la atmósfera


Aleaciones férreas: Sinterización Fe-C

Durante el enfriamiento:Durante el enfriamiento:

�� Transformaciones de fase: F, P, B, M, γ.Transformaciones de fase: F, P, B, M, γ.�� Precipitación de carburos.Precipitación de carburos.

Durante el calentamiento:Durante el calentamiento:�� El El C difundeC difunde fácilmente en la red del Fe a fácilmente en la red del Fe a ∼∼800800°°C C �� transformación prematura de transformación prematura de αα−−γγ. . Durante la sinterización:Durante la sinterización:�� Según Según el C difunde enel C difunde en γγ �� ↑↑↑↑ didimensionesmensiones de la red hasta que se completa su disolución. de la red hasta que se completa su disolución.

Posteriormente durante la T de sinterización se produce una Posteriormente durante la T de sinterización se produce una contracción de la piezacontracción de la piezaproporcional al contenido de Cproporcional al contenido de C

α γ (alta solubilidad del C ) α+carburos

Sinterización

α γ750 – 850 ºC

γ α730 – 300 ºC

T

t


Aleaciones férreas: Sinterización Fe-C

• El aumento de Rm y dureza es casi lineal con el contenido de Carbono combinado.

• Se reduce considerablemente la deformación.

• Efecto reductor del C.

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Aleaciones férreas: Aceros de baja Aleación

PRINCIPALES ELEMENTOS DE ALEACIÓN.PRINCIPALES ELEMENTOS DE ALEACIÓN.


C, Cu, P, Ni, Mo, C, Cu, P, Ni, Mo, Cr, MnCr, Mn

FeFe-C

Fe-CuFe-Cu-C

Fe-P-CFe-P-Cu-C

Fe-Mo-CFe-Mo-Ni-CFe-Cr-Mo-CFe-Mn-Cr-CFe-Mo-Ni-Cu-C

PRINCIPALES SISTEMAS DE ALEACIÓN PRINCIPALES SISTEMAS DE ALEACIÓN

Edgar Bain, “Fuctions of the alloying elements in thesteel”ED American Society for Metals, 1939, pg. 66



Parámetros que influyen las propiedades del sinteri zado

• Influencia del proceso de fabricación.

• Densidad y Forma: Según haya sido el método de obtención de las partículas

se puede modificar: la porosidad interna, rugosidad, morfología, tamaño, etc…

• Condiciones de sinterización: velocidad de calentamiento y enfriamiento,

temperatura de sinterización, tiempo, atmósferas, carga del horno…..

• Condiciones de tratamiento térmico : atmósfera, tiempo y temperatura.



Ventajas• No hay segregaciones de los elementos

de aleación• Tolerancias• Piezas sinterizadas homogéneamente

Desventajas

•Baja compresibilidad•Difícil de hacer cambios en el sistema de aleación.

Parámetros que influyen las propiedades del sinteri zado• Influencia de los elementos de aleación.

Mezcla Prealeado Predifundido

Ventajas:•Mantiene la compresibilidad•Baja segregación

Desventajas•Composición fija•Tolerancias: Se pueden producir ciertas

segregaciones de los polvos de mayor

tamaño y con más elementos de

aleación.

Ventajas:•Mantiene la compresibilidad

Desventajas:•Segregación de las partículas por diferencia de tamaño, densidad, morfología….

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Aleaciones férreas: Aceros de Baja Aleación �� Comparativa

Tecnología de Polvos - Aceros de baja aleación I13

0

200

400

600

800

1000

Fe Esponja Fe Atomizado Fe Atm + 0,5C Fe+2Cu+0,5C Fe-Mo-Cu-Ni+0,5C Fe-Mo-Ni

RmL.E.

Densidad: 7.0 g/cm3 Sinterización: 1120ºC 30 min

Aleaciones Férreas: Aceros Inoxidables


Consideraciones generales de diseño aplicables sin excepción. (Los criterios son ≈ paralos aceros inxidables de colada como para los PM)

1.1. Las condiciones ambientales en servicio: LA CORROSIÓN Las condiciones ambientales en servicio: LA CORROSIÓN SIEMPRE ES EL FACTOR DETERMINANTE. SIEMPRE ES EL FACTOR DETERMINANTE. LosLos factores factores que que afectan a la corrosión sonafectan a la corrosión son: : concentración concentración de losde los agentes químicosagentes químicos, , pHpH, , aireaciónaireación, , impurezasimpurezas,, temperaturatemperatura y y velocidad velocidad de losde los fluidosfluidosa)a) Hay aceros adecuados para atmósferas poco severas (AISI 430), Hay aceros adecuados para atmósferas poco severas (AISI 430), b)b) Para procesos de la industria alimenticia (AISI 304) Para procesos de la industria alimenticia (AISI 304) c)c) Procesos químicos (AISI 316).Procesos químicos (AISI 316).

2.2. El nivel de propiedades mecánicas requeridas para la aplicación:El nivel de propiedades mecánicas requeridas para la aplicación:a)a) Categorizar Categorizar las propiedades por orden de preferencialas propiedades por orden de preferencia..

3.3. Método de fabricación: Soldaduras, mecanizado, etc...Método de fabricación: Soldaduras, mecanizado, etc...4.4. Coste totalCoste total

Aleaciones Férreas: Aceros Inoxidables


Influencia de los parámetros de sinterización

Corrosión Propiedades Mecánicas

Contenido en O - -

Contenido en C - +

Impurezas - -

Residuos de lubricante - -

Densidad de sinterizado + +

Powder Metallurgy, Vol 7. ASM Handbook. Materials Park, OH : ASM International , 1998 . P: 369.

Influencia de los parámetros de sinterización

Corrosión Propiedades Mecánicas

T y tiempo + +

Punto de rocío - -

Atmósferas Vacío-H2 + +

N2 - +

Altas vel. Enfriamiento +

Aleaciones Férreas: Aceros Inoxidables �� Comportamiento a corrosión


Disminuir la porosidad.

Procesos de sellado RecubrimientosDeformaciones plásticas superficiales

(shot peening, granallado)

El comportamiento a corrosión está determinado por la El comportamiento a corrosión está determinado por la porosidad abiertaporosidad abierta�� Aumenta el área reactivaAumenta el área reactiva

�� Actúa como resquiciosActúa como resquicios

Métodos de actuación

La velocidad de corrosión de un acero sinterizado en medio ácido es de 2 a 5 veces mayor que en un acero de colada, puesto que la corrosión progresa fundamentalmente desde los poros de mayor superficie.

¿Qué son los aceros rápidos?

Departamento de Ciencia de Materiales17

Capacidad para retener altos valores de dureza a elevadas velocidades de corte

Pueden ser endurecidos hasta 1000 HV ó 65 - 70 HRC y mantener la dureza hasta T del orden de 600 ºC

HERRAMIENTAS DE CORTE

NUEVAS APLICACIONES

• HERRAMIENTAS DE CORTE

• ÚTILES DE CONFORMADO EN FRÍO: estampación, matricería

• COMPONENTES ESTRUCTURALES en la industria del automóvil, aerospacial: cojinetes, asientos de válvulas

Familias de aceros rápidos


Originales para corte

�Mayor resistencia al desgaste

�Mayor dureza

Más utilizados:

�Menor coste

�Menor densidad

�Mayor resistencia abrasión

�Más tenaces

GRUPO MGRUPO MGRUPO MGRUPO M

Aceros al MolibdenoAceros al MolibdenoAceros al MolibdenoAceros al Molibdeno

GRUPO TGRUPO TGRUPO TGRUPO T

Aceros al VolframioAceros al VolframioAceros al VolframioAceros al Volframio

Composiciones típicas de los aceros rápidos Composiciones típicas de los aceros rápidos Composiciones típicas de los aceros rápidos Composiciones típicas de los aceros rápidos convencionalesconvencionalesconvencionalesconvencionales

AISI No: %C %Cr %W %Mo %V %Co

T1 0,7 4 18 - 1 -

T6 0,8 4 20 - 1,5 12

T15 1,5 4 12 - 5 5

M2 0,85 4 6 5 2 -

M3-1 1,05 4 6 5 2,4 -

M3-2 1,20 4 6 5 3 -

M4-2 1,05 4 1,5 9,5 1 8

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Fabricación de los aceros rápidos


Fabricación convencional

1.1. ColadaColada

2.2. Forja o laminaciónForja o laminación

3.3. MecanizadoMecanizado

4.4. Tratamientos Térmicos: temple y doble/triple reveni doTratamientos Térmicos: temple y doble/triple reveni do

Microestructura final:

martensita + carburos

"PowderMetallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

Fabricación de los aceros rápidos por TP


PULVIMETALURGIA

POSIBILIDAD CAMBIO

COMPOSICIÓN-PROPIEDADES

DESARROLLO MMC’s

MATRIZ ACERO RÁPIDO

REFUERZO CERÁMICO

Materiales con propiedades intermedias entre aceros rápidos y cermets o carburos cementados

OBJETIVO:

Obtener un carburo fino y uniforme sobre matriz con TG pequeño

Fabricación de los aceros rápidos por TP


Métodos pulvimetalúrgicos

ATOMIZACIÓN EN AGUA

RECOCIDO

CONFORMADO a T amb

SINTERIZADO

Proceso de

sinterización

de polvos

Proceso de

forja de

polvos

Proceso de

extrusión de

polvos

Proceso HIP

modificado

Proceso HIP

directo

ATOMIZACIÓN EN GAS

Polvos

irregulares

Polvos

esféricos

ENCAPSULADO

HIP

Forja en caliente

Extrusión en caliente

Laminación en caliente

Acero Fundido

"PowderMetallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

ALEACIONES FÉRREAS



ALEACIONES LIGERAS

• De Aluminio

• De Titanio

ALEACIONES BASE Cu


Otros



Familias de materiales metálicos procesados por TP

Aleaciones de Aluminio


APLICACIONES

Sector automovilístico P.K. Johnson, Int. J. Powder Metall. 34 (1998) 37-44

El Aluminio y Aleaciones: Prop. Específicas

��Densidad: 2.7 g/cmDensidad: 2.7 g/cm33 TTff: : 660ºC FCC 660ºC FCC �� Fácilmente deformable.Fácilmente deformable.

��Excelente conductividad eléctrica y térmica. Excelente conductividad eléctrica y térmica.

��Propiedades Propiedades mecánicas: mecánicas: R R ~ 160~ 160--200 200 MPaMPa. E ~ 70GPa. E ~ 70GPa

��Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente al aire una fina Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de capa superficial de AlAl 22OO3 3 �� impermeable y adherente que detiene el proceso de impermeable y adherente que detiene el proceso de oxidación oxidación �� ↑↑ RRcorrosióncorrosión y y durabilidaddurabilidad�� TODA LAS PARTÍCULAS TIENEN ESTA TODA LAS PARTÍCULAS TIENEN ESTA CAPACAPA�� Para lograr una buena sinterización hay que conseguir contactos metalPara lograr una buena sinterización hay que conseguir contactos metal--metal entre partículas y no óxidometal entre partículas y no óxido--óxido.óxido.

Aleaciones de Aluminio


Para poder conseguir una sinterización exitosa se debe conseguir la combinación idónea de

atmósfera (típicamente: N2/H2, amoniaco disociado, vacio), punto de rocío y temperatura.

1. Favoreciendo la rotura de la capa de óxido superficial de las partículas durante la etapa de

compactación.

2. Incorporación de partículas duras que rompan la capa de alúmina durante la compactación.

3. Incorporando una fase líquida: externa a las partículas, o que se desarrolle dentro de estas

durante la sinterización.

4. Realización de Tratamientos Térmicos

¿Cómo mejorar las propiedades de una aleación de aluminio sinterizada? � ¿Cómo mejorar los resultados de la sinterización?

Tratamiento Descripción

T1- sinterización Enfriamiento desde la T de sinterización hasta la T ambiente a velocidad controlada

T4 Calentamiento a 500-520ºC durante 30’ en aire y enfriamiento en agua + 4 días de maduración mínima a T ambiente

T6 Calentamiento a 500-520ºC durante 30’ en aire y enfriamiento en agua + 18 h de maduración a 160ºC

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El Ti y sus aleaciones


Características y Propiedades� Coste elevado (dificultad de extracción y procesado, muy reactivo)

� Metal ligero: densidad ~4,5 g/cm3 Tf elevada 1668ºC

� Muy buenas propiedades específicas. Elevado ratio resistencia-peso (industria

aeronáutica y aeroespacial)

� Excelente resistencia a corrosión en agua salina o ácidos. Todos los elementos de aleación lo empeoran.

Película de óxido protectora microscópica sobre la superficie

� A T>480˚C el óxido se disuelve en el titanio causando fragilización � resistencia a

alta temperatura (hasta 480 ºC).

� Metal alotrópico (hcp � bcc, a 882ºC) � permite transformación martensítica

�Contiene niveles controlados de O, N, Fe, C, dónde el C, O y N son elementos intersticiales

�↑ Resistencia y ↓ Ductilidad�Causan endurecimiento por deformación� Interacción entre dislocaciones e impurezas

Ti comercialmente puro



Aleaciones TiAleaciones beta

� Estructuras metaestables a Tamb

� BCC: Excelente capacidad de conformado

� Endurecimiento por precipitación ⇒ σy hasta 1400 MPa

� Pocas aleaciones comerciales, pero uso en ↑ por alto límite elástico y bajo módulo elástico

Aleaciones alfa (Al, Ga)

�Buena resistencia a fluencia y a oxidación

�Buena resistencia a T criogénicas

�Son hcp: tienen una capacidad de deformación limitada



El Ti es un elemento muy reactivo, formador de óxidos y nitruros estables. A diferencia de otros metales, el Ti es capaz de disolver su propia capa de óxido durante la sinterización � Sólo tiene sentido sinterizarlo en atmósferas de ultra alto vacio.Cuando se alea con otros elementos de aleación, es común introducir aleaciones maestras que porten los elementos deseados. Por ejemplo para conseguir la aleación Ti-Al6-4V se suele añadir la aleación maestra 60Al-40V� Son necesarias ↑T de sinterización [entre 1200º-1300ºC] y tiempos prolongados [de 1 a 4 h] para que se complete la interdifusión.

Powder Metallurgy, Vol 7. ASM Handbook. Materials Park, OH : ASM International , 1998 . P: 393.



Cuando se emplean polvos prealeados, las propiedades mecánicas pueden ser equivalentes a las de aquellas aleaciones procesadas por moldeo convencional

El comportamiento a fatiga está esencialmente determinado por el sistema residual de poros y por la presencia de contaminantes del proceso de obtención del polvo de Ti.

Powder Metallurgy, Vol 7. ASM Handbook. Materials Park, OH : ASM International , 1998 . P: 752-753.

ALEACIONES FÉRREAS



ALEACIONES LIGERAS

• De Aluminio

• De Titanio

ALEACIONES BASE Cu


Otros



Familias de materiales metálicos procesados por TP Cu y aleaciones


Las principales aplicaciones que tiene el Cu y aleaciones están relacionadas con sus propiedades eléctricas, térmicas y su elevada capacidad de deformación:

Electrodos de soldadura, conmutadores, escobillas, componentes electrónicos, filtros porosos, cojinetes, cojinetes autolubricados, etc….

Cu

Bronces

Aleaciones endurecibles por precipitación

PRINCIPALES SISTEMAS DE ALEACIÓN

Aleaciones endureciblesdispersiónLatones

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Cu y aleaciones


Una posible solución son las aleaciones endurecidas por dispersión (p.e. con partículas de Al2O3 de tamaños ∼10nm con espaciados de 50-100 nm)

Powder Metallurgy, Vol 7. ASM Handbook. Materials Park, OH : ASM International , 1998 . P: 712. Cortesía de SCM Metal products.

Aleaciones endurecibles por precipitación

Aleaciones endurecibles dispersión

Las aleaciones endurecibles por precipitación (pe.Cu-Be y Cu-Cr) ofrecen una elevada resistencia, manteniendo una buena conductividad térmica y eléctrica.

Sin embargo la resistencia y la conductividad de estas aleaciones disminuye drásticamente cuando se exponen a T superiores a la del tratamiento de precipitación, durante tiempos prolongados.

Cu y aleaciones


Cu.Sn.Ni Cu.Sn.Bi

Todos los elementos de aleación se encuentran formando solución sólida. No existe formación de fase líquida a no ser que se diseñe una sinterización superdólidus (en la región L+ α)

La solubilidad del Bi en Cu es muy pequeña, por lo que la cantidad de fase líquida durante la sinterización a 800-900ºC se debe ajustar entre 30-50%.

Bronces

Algunas de las composiciones de los bronces más utilizados para aplicaciones anti-fricción (cojinetes) son los sistemas Cu.Sn.Ni y Cu.Sn.Pb. Este último por restricciones ambientales se está empezando a reemplazar por sistemas libres de Pb, como el Cu.Sn.Bi.

Cu.Sn.Pb

El Pb permanece como “islas” entre los granos de cobre. Esto asegura la presencia de una fase líquida durante la T de sinterización.

ALEACIONES FÉRREAS



ALEACIONES LIGERAS

• De Aluminio

• De Titanio

ALEACIONES BASE Cu


Otros



Familias de materiales metálicos procesados por TP Materiales Compuestos de Matriz Metálica


PREPARACIÓN Previo al desarrollo de la estructura de MC, en muchos casos es conveniente realizar una preparación previa, para modificar las superficies, la forma, o el tamaño de los componentes que constituirán el material compuesto.

PROCESADO: Combinación de los componentes para obtener la estructura de MC. Existen multitud de tecnologías que permiten obtener este tipo de materiales. La tecnología de polvos permite obtener MCM reforzados con partículas cerámicas por distintas vías: spray forming, compactación+sinterización, compactación en caliente, extrusión de compactos en verde, infiltración de preformas, etc…

OPERACIONES DE ACABADO: Aquellas de las que resulta el componente en su estadio final de forma y propiedades.

Esquema General del Procesado de los MCMM

�Flexibilidad en la selección delpar matriz+refuerzo.

� Permite la incorporación de granvolumen de refuerzo.

�Seleccionando adecuadamentela vía de procesado se minimiza elriesgo de segregaciones.

Metal Duro

Tecnología de Polvos- Metal duro35

Génesis: (1927, Krupp) Ligada a la producción de filamento de W para bombillas �sustitución matricería de diamante para el trefilado de W

�“WIDIA” (wie Diamant= como el diamante, Krupps)

Objetivo: reemplazar las matrices de diamante para la producción de filamentos de W

� Finales del XIX : Fusión en horno de arco en vacio: W2C material muy frágil pero de dureza comparable al diamante

� Sinterización de carburos muy finos: Se producen pasando CO sobre polvo de W ⇒ T sinterización 1500-º1600ºC

� Carburación del W en atmósfera. Preformas sinterizadas de W se cementan a baja T, y se obtiene una capa de Carburo de 1-2 mm.

� Infiltración de preforma de W en Fe� WC como material base: Baumhauer, utilizando el método de producción de

WC como polvo de W en atmósfera rica en carbono, posteriormente semezcal con Co, Ni ó Fe y se sinteriza. A partir de 1922 se demuestra lasuperioridad del Co.

Punto crítico: CÓMO OBTENER LOS CARBUROS DE WC

Metal Duro: Propiedades


�� Alta dureza Alta dureza con el menor tamaño de grano posible y una con el menor tamaño de grano posible y una microestructuramicroestructura uniforme para resistir la abrasiónuniforme para resistir la abrasión

�� TenacidadTenacidad adecuadaadecuada�� Para resistir la Para resistir la deformación plástica a alta T deformación plástica a alta T debe tener buenas debe tener buenas

propiedades de resistencia y dureza.propiedades de resistencia y dureza.�� Buena Buena estabilidad térmicaestabilidad térmica�� Buena Buena adhesiónadhesión de las de las partículaspartículas con la con la matriz matriz o fase liganteo fase ligante�� Tendencia mínima a la adhesión de las partículas con el material de Tendencia mínima a la adhesión de las partículas con el material de

trabajotrabajo

El problema: SOLUCIONAR PROBLEMAS COMPLEJOS DE DESGASTE POR ABRASIÓN

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Metal Duro: Propiedades


Resistencia a la flexión vs. Dureza (H. Hoolek)Resistencia a la flexión vs. Dureza (H. Hoolek)

"PowderMetallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC 38

Tecnología de Polvos- Metal duro

Metal Duro: Criterios de Selección

¿Por qué no seleccionar siempre el más duro?

¿Para que aplicación es específico un metal duro?

Hay que considerar que debe resistir además esfuerzos mecánicos específicos, gradientes térmicos, fatiga, corrosión...

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