La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos, es una parte de la Ingeniera Metalrgica de carcter pluridisciplinar que da lugar a la tcnica de fabricacin de piezas mediante compactacin y sinterizacin de polvos o mezclas de polvos metlicos y lubricantes, obteniendo un producto final con una porosidad controlada.

El proceso de fabricacin

Cuando se desea construir una pieza a partir de polvos metlicos, es necesario dar al polvo metlico la forma deseada y luego producir un enlace entre las partculas que la convierta en una pieza maciza con buenas propiedades mecnicas. En general, al final de la etapa de conformado, la pieza slo tiene la resistencia suficiente para facilitar la manipulacin de sta. La resistencia final se obtiene en la segunda etapa, que se conoce como sinterizado. Este es un proceso fsico-qumico que consiste en calentar la pieza (por debajo de la temperatura de fusin de sus componentes) en un horno en atmsfera controlada, de tal forma que la pieza adquiere consistencia mecnica por recristalizacin y soldadura intergranular de las partculas de polvo. El material pasa de ser un material muy frgil a convertirse en un material con buenas propiedades mecnicas.Entre las formas ms conocidas de conformado se encuentran: (1) conformado sin presin, (2) conformado con presin en fro, (3) conformado con presin en caliente.

Conformado sin presin

Los mtodos de conformado sin presin son aquellos en los que no se aplican fuerzas externas, excepto las restricciones que ofrece el molde, la gravedad y la presin atmosfrica. Entre los mtodos ms conocidos en este grupo se encuentran la sinterizacin floja o sin cohesin, que se emplea ampliamente para manufacturar materiales altamente porosos. Bsicamente el metal es vertido en el molde el cual se calienta a la temperatura de sinterizado. Las geometras que se pueden hacer por este mtodo estn limitadas a la capacidad que tenga el polvo para fluir y la forma del molde. Otra limitante es la contraccin que ocurre como resultado de la sinterizacin, que puede fracturar la pieza. Una cuidadosa eleccin de la distribucin y tamao de las partculas puede llevar en algunos casos a densidades del 80% de la densidad terica.

Conformado en fro

La etapa del conformado en fro se conoce tambin como compactacin en fro, o prensado en fro y consiste bsicamente en la aplicacin de presin sobre una masa de material en polvo, que se encuentra dentro de una matriz, que es el negativo de la pieza que se desea construir. La compactacin se realiza mediante prensas verticales mecnicas, hidrulicas o mixtas y la velocidad de prensado est comprendida entre 400 y 1400 piezas por hora [4].Entre las etapas precedentes a la compactacin en fro, que influyen en las caractersticas de la pieza final, se encuentran, la produccin y el mezclado del material en polvo. La produccin del material en polvo, se lleva a cabo por diversos mtodos, que van desde los puramente mecnicos como la trituracin, hasta los mtodos ms sofisticados como la reduccin o la atomizacin. Como se explicar ms adelante, las diferentes caractersticas del polvo como su grado de pureza, tamao y forma del grano, etc, dependen fuertemente del tipo de mtodo empleado. El mezclado consiste en repartir homogneamente las partculas que conformarn el material diseado, aadiendo adems un lubricante que es imprescindible en la etapa de compactacin. En general, el mezclado se lleva a cabo en un mezclador bicnico que se hace girar durante un determinado tiempo, luego la mezcla final se descarga en tolvas que suministran el material a la matriz. El proceso de compactacin en fro a su vez, se puede dividir en tres etapas [o][2][5J: el llenado (figuras 1.1.1, 1.1.2, 1.1.3), que consiste en depositar el material de las tolvas en la matriz. Esta primera etapa es esencial para garantizar la homogeneidad de la pieza, ya que todas las zonas de la matriz deben llenarse de forma similar para evitar variaciones en la densidad al final del proceso. La siguiente etapa, es la compactacin o aplicacin de la presin externa (figura 1.1.4) mediante el uso de punzones que se desplazan a una velocidad determinada, o que transmiten una presin determinada. En esta etapa, se produce un aumento en la densidad y en general, un aumento en las propiedades mecnicas de la pieza. El movimiento de los punzones se sincroniza de tal forma, que la distribucin de la densidad en el interior de la pieza sea lo ms homognea posible. Luego de aplicada la carga, viene la etapa de extraccin y retirada de la pieza (figuras 1.1.5, 1.1.6, 1.1.7). La extraccin se realiza por medio de los punzones inferiores, que se desplazan hacia arriba venciendo la fuerza de friccin que existe entre la pieza y el molde. El efecto de la friccin se puede atenuar con el uso de lubricantes. Despus de la retirada de la pieza, se procede a llenar el molde y continuar el proceso.

Las principales ventajas que tiene la utilizacin de este proceso:a. Permite la fabricacin de piezas con un gran ahorro de materia prima, ya que slo se usa la cantidad de material requerido para alcanzar el producto finalb. La precisin que se obtiene en las dimensiones del producto final es bastante elevada y la dispersin de medidas en una serie larga de piezas es muy bajac. Las operaciones de mecanizado se reducen o se eliminand. Permite construir piezas con una porosidad controlada, utilizada por ejemplo en el diseo de cojinetes autolubricados o piezas atenuantes del sonidoe. El acabado superficial es excelente, siendo superior a tcnicas convencionales como la fundicin, forja, etc.f. Es una tcnica poco polucionanteg. El proceso de compactacin permite ser automatizado, aumentando as el nivel de produccinh. Disminuye el consumo global de energa, ya que la pieza no necesita llevarse hasta el punto de fusin del material base

Entre las desventajas se pueden enumerar las siguientes:

i. El coste, diseo y construccin de la matriz es bastante elevado [e], entonces su inversin slo se justifica si se pretende fabricar un gran nmero de piezasii. La compactacin, requiere la utilizacin de grandes presiones para poder obtener as altos valores en la densidad que a su vez implican mejoras en las propiedades mecnicas. Pero para conseguir estas grandes presiones, se requieren prensas de gran capacidad, que adems limitan el tamao de las piezas que se pueden construiriii. En general, los niveles de resistencia de las piezas son menores que las de las piezas macizasiv. La obtencin de las materias primas (polvo metlico o cermico) es costosav. Existen geometras que son prcticamente imposibles de construir completamente por este mtodo, lo que obliga en algunos casos a un maquinado posterior, incrementando as los costosvi. La etapa de la expulsin, es otra limitante en la geometra, ya que la pieza puede deformarse o romperse

1.3 PROCESO DE COMPACTACIN EN FROComo se explic en el apartado 1.1, la compactacin en fro se ocupa de dar forma a la pieza mediante un molde o matriz que es el negativo de la pieza deseada. Entre los principales mtodos de este grupo se encuentran: compactacin por vibracin, compactacin cclica, laminado, presin isosttica y presin uniaxial. Se completa el proceso con la etapa de sinterizado aplicada sobre el material en verde que sale de la matriz. Esta etapa calienta la pieza a una temperatura por debajo de su punto de fusin y tiene por objeto mejorar los enlaces entre las partculas del material. Se describe a continuacin el proceso que es de inters en esta tesis, la compactacin uniaxial en fro del material en polvo.

1.3.3 Limitaciones en el DiseoEn el diseo de una pieza por el mtodo de compactacin en fro, se tienenvarias limitantes que deben tenerse en cuenta. La capacidad de la prensa, loslmites en la seccin transversal y longitudinal son algunas de stas. Tambinla altura de la profundidad de llenado, el efecto de la friccin, etc. Algunas deestas limitantes se pueden superar con el uso de prensas ms grandes, con elempleo de lubricantes o rediseando algunas secciones. Pero existen cierto tipode configuraciones que son virtualmente imposibles de construir (ver J9J). Lafigura 1.16 muestra algunas de ellas. Las caractersticas que son indeseables enuna pieza se pueden agrupar en dos [9]: el primer grupo lo constituyen aquellasformas donde se rompe el flujo de material o el proceso de expulsin se tornaimposible de la forma convencional. El segundo grupo lo forman aquellas piezasque requieren disear elementos muy delgados o dbiles que pueden rompersedurante la compactacin.En el primer grupo se encuentran piezas con agujeros en direcciones diferentesa la del movimiento de los punzones. Entradas y salidas agudas como lasroscas de los tornillos que hacen imposible la expulsin de la manera convencional.Muchos de estos inconvenientes obligan a maquinar la pieza despus delsinterizado. En el segundo grupo se encuentran piezas con agujeros o cambiosde seccin muy estrechos que obligaran a que el molde o el ncleo tuvieransecciones muy delgadas. Piezas con chafanes muy pequeos que obligaran aconstruir el punzn con pestaas muy delgadas. Finalmente se incluyen en estegrupo cambios de seccin sbitos o fuertemente asimtricos.

Ventajas y Desventajas de la Produccin con Metalurgia de los Polvos Las consideraciones que hacen de la metalurgia de polvos un proceso importante desde el punto de vista comercial y tecnolgico son las siguientes: Las partes de PM se pueden producir masivamente en forma neta o casi neta, eliminando o reduciendo la necesidad de procesos posteriores. De esta manera se reducen los desechos, recortes y se ahorra energa. Los procesos de la PM implican muy poco desperdicio de material, cerca del 97% de los polvos iniciales se convierten en producto. Esto se compara favorablemente con los procesos de fundicin en los cuales las coladas, alimentadores y mazarotas son material de desperdicio en cada ciclo de produccin. Debido a la naturaleza del material inicial en la PM, se pueden hacer partes con un nivel especfico de porosidad. Esta caracterstica se presta a la produccin de partes de metal poroso, como bujes, rodamientos y engranes impregnables con aceite, as como filtros. Ciertos metales que son difciles de fabricar por otros mtodos, se pueden formar por metalurgia de los polvos. El tungsteno es un ejemplo; los filamentos de tungsteno que se usan en las lmparas incandescentes se manufacturan con tecnologa de PM. Ciertas combinaciones de aleaciones metlicas y cermets que no se pueden producir por otros mtodos se pueden hacer por PM. La disponibilidad de una amplia gama de formulaciones hace posible la obtencin de propiedades fsicas y mecnicas especiales, como por ejemplo, rigidez, capacidad de amortiguamiento, dureza y densidad, tenacidad y propiedades elctricas y magnticas especficas. Algunas de las nuevas superaleaciones se pueden moldear en partes tan solo con el proceso de metalurgia de los polvos. La PM se compara favorablemente con la mayora de los procesos de fundicin en lo que se refiere al control dimensional de los productos. Las tolerancias rutinarias que se pueden lograr son de 0,005 (0,13 mm). Los mtodos de produccin de PM se pueden automatizar para hacer ms econmica la operacin. Las principales desventajas y limitaciones que encierra este tipo de procedimiento de fabricacin con metalurgia de los polvos son: Alto costo del equipo y de las herramientas para pequeas corridas de produccin. Alto costo de los polvos metlicos, en comparacin con las materias primas para fundir o forjar. Dificultades en el almacenamiento y manejo de polvos metlicos (tales como degradacin del metal a travs del tiempo y riesgos de incendio del metal en polvo fino). Limitaciones en las formas de las partes, debido a que los polvos metlicos no fluyen fcilmente en direccin lateral dentro del dado durante el prensado, y las tolerancias deben permitir que la parte pueda expulsarse del dado despus del prensado. Las variaciones en la densidad del material a travs de la parte pueden ser un problema, especialmente para partes de geometra compleja. Las propiedades mecnicas resultantes, como resistencia y ductilidad, que suelen ser menores que las que se obtienen con el forjado. Sin embargo, las propiedades de las piezas hechas con la metalurgia de los polvos hasta densidad total, con tcnicas de prensado isosttico en caliente o por forjado adicional, pueden ser tan buenas como las de las partes fabricadas con otros procesos.

1.- INTRODUCCIN A LA PULVIMETALURGIA

MARCO DE REFERENCIA Dentro de las variadas tecnologas para trabajar el metal, la Pulvimetalurgia es el ms diverso dentro de stas. El atractivo mayor de la Pulvimetalurgia (PM) es la habilidad de fabricar piezas de formas complejas con excelentes tolerancias y de alta calidad relativamente barato. En resumen, la PM toma polvos metlicos con ciertas caractersticas como tamao, forma y empaquetamiento para luego crear una figura de alta dureza y precisin. Los pasos claves incluye la compactacin del polvo y la subsiguiente unin termal de las partculas por medio de la sinterizacin. El proceso utiliza operaciones automatizadas con un consumo relativamente bajo de energa, alto uso de materiales y bajos costos capitales. Estas caractersticas hacen que la PM se preocupa de la productividad, energa y materiales primas. Consecuentemente, el rea est creciendo y reemplazando mtodos tradicionales de formar metales. Adems, PM es un proceso de manufactura flexible capaz de entregar un rango amplio de nuevos materiales, micro estructuras y propiedades. Todo esto crea un nicho nico de aplicaciones para la PM, como por ejemplo compuestos resistentes al desgaste.El proceso de la PM se confa en una mirada filosfica distinta a aquellas en la fabricacin tradicional de componentes metlicos. Especficamente, la versatilidad de la PM da un horizonte expandido en el procesamiento de materiales: qumica, tratamiento trmico y micro estructuras son variables y la distribucin de las fases y los micro constituyentes sin controlados.Las aplicaciones de la PM son bastante extensivas. Algunos ejemplos del uso de polvos metlicos: filamentos de tungsteno para ampolletas, restauraciones dentales, rodamientos auto-lubricantes, engranes de transmisin de automviles, contactos elctricos, elementos de combustible para poder nuclear, implantes ortopdicos, filtros de alta temperatura, pilas recargables, y componentes para aeronaves. La tabla 1.1 provee una coleccin de usos tpicos de componentes provenientes de la PM. A pesar de que esta diversidad de crecimiento nos ayude, el estudio para desarrollar esta tecnologa se hace difcil. Tabla 1.1 Ejemplos de usos de Polvos MetlicosAPLICACINEJEMPLOS DE USO

abrasivosruedas polidoras metlicas, equipos de molienda

agriculturacovertores de semillas, equipos de jardn y cesped

aeroespaciomotores dejet, escudos de calor, boquillas de turbina

automvilesvlvulas, engranes, varillas

qumicoscolorantes, filtros, catalticos

construccintechado de asfato, calafatear

elctricocontactos, conectores

electrnicotintas, paquetes microelectrnicos, lavatorios de calor

hardwarecandados, herramientas, herramientas de cortte

tratamiento de calorcalderas, termocuplas, bandejas de correa

industrialabsorcin de sonido, herramientas de corte

unionessoldadores, electrodos, llenado de soldadura

lubricacingrasas

magnticorelays, imanes, ncleos

manufacturamoldes, herramientas, rodamientos

medicina/dentalimplantes de cadera, frceps, amalgamas

metalrgicorecubrimiento metlico, aleaciones

nuclearescudos, filtros, reflectores

equipos de oficinacopiadores, cmaras, fotocopiadores

artillerafusiles, municin, penetradores

personalvitaminas, cosmticos, jabones, lpices

petroqumicocatalticos, brocas

plsticosherramientas, moldes, llenadores, cemento, superficies de desgaste

imprentatintas, laminates

pirotcnicosexplosivos, combustible, colorantes, bengalas

DEFINICIONES Algunos trminos debern ser entendidos antes de comenzar con la PM. Primero, un polvo est definido como un slido finamente dividido , ms pequeo que 1mm. En muchos casos el polvo ser metlico, a pesar de instancias en que sean combinados con otros elementos como cermicos o polmeros. Una caracterstica importante del polvo es la relacin alta entre el rea de superficie y volumen. Las partculas muestran un comportamiento entre aquella del metal y de un lquido. Polvos fluirn bajo el efecto de gravedad para llenar un molde o contenedor, por lo tanto en este caso se comporta como un lquido. Son compresibles con un gas, pero la compresin del polvo metlico es esencialmente irreversible, as como la deformacin plstica de un metal. Por ende, los polvos metlicos son fcilmente formados con el comportamiento deseable de un metal luego de ser procesado.La PM es el estudio del procesamiento de polvos metlicos, incluyendo la fabricacin, caracterizacin y conversin de polvos metlicos en componentes ingenieriles tiles. Las secuencias de procesamiento involucra la aplicacin de leyes bsicas de calor, trabajo y deformacin. Es el procesamiento la que cambiar la forma, propiedades y estructura del polvo para obtener el producto final. Tres pasos primordiales se ilustra en la figura 1.1. PROCESAMIENTO DE PULVIMETALURGIA

Figura 1.1 el flujo conceptual de la PM del polvo durante el proceso hasta el producto final. Se ejemplifica cada paso. Primero se encuentra el rea etiquetado por "POLVOS" la que concierne la naturaleza de lo polvos. nfasis se da a la fabricacin, clasificacin, caracterizacin y manejo de los polvos. Segundo punto concierne el muestreo, seguridad, empaquetamiento y transporte. La examinacin de tamaos y formas de los polvos son actividades comunes e importantes en el rea de las tecnologas de polvos. Las actividades de consolidacin tradicional de polvos incluye compactacin y sinterizacin. Las preocupaciones en esta etapa son la formacin y densificacin delos polvos. Finalmente, el flujo termina haciendo nfasis en las propiedades finales, haciendo hincapi en la microestructura del producto. Decisiones concernientes en el tipo de polvo y su fabricacin influye en cual fcil ser la compactacin y sinterizacin. De esta misma manera, el tipo de secuencia de consolidacin aplicado al polvo afectar las propiedades del compacto final y metas especficas de algunas propiedades requieren que se ponga suma atencin en el polvo, procesamiento y qumica. BREVE HISTORIA

Los primeros usos de polvos metlicos han sido rastreados hacia varios lugares. Por ejemplo, polvos de oro fueron fusionados sobre joyas por los Incas, y los Egipcios utilizaron polvos de acero en el ao 3000 AC. Otro ejemplo de uso temprano es la Columna de Delhi en la India la que data al ao 300 DC. Esta columna fue hecha de 6.5 toneladas de acero polvo, durante el siglo 19 el uso de tcnicas de Pulvimetalurgia comenzaron en serio. La necesidad de aparatos de platino de laboratorio llevaron al desarrollo de precipitacin qumica de polvos y nuevas rutas de consolidacin sin el uso de altas temperaturas. Tales actividades ocurrieron en Rusia e Inglaterra donde polvos precipitados fueron trabajados en caliente para superar la incapacidad de obtener las altas temperaturas para recubrir platino. Al mismo tiempo, monedas eran fabricadas de polvos de cobre, plata y plomo acuadas y sinterizadas. La poca moderna de la PM es rastreado hasta Coolidge quien utiliz polvos de tungsteno para desarrollar un filamento de lmpara durable para Edison. Subsecuentemente, rodamientos porosos de bronce y contactos elctricos de grafito-cobre fueron desarrollados en los aos 30. Al llegar a los cuarentas, PM estaba involucrado en la fabricacin de nuevas aleaciones de tungsteno, aleaciones estructurales frreas y metales refractarias. El inters inicial de la PM creci desde una base de materiales, formando elementos comunes como el cobre y hierro por medios de una tecnologa de menor costo. Desde los aos cuarenta, varios materiales menos comunes han sido procesados desde polvos incluyendo metales refractarios y sus aleaciones (Nb, W, Mo, Zr, Ti y Re). Adicionalmente, el crecimiento de metales estructurales han avanzado igual en el perodo. La mayora de las piezas estructurales producidos de polvos son basados en hierro. Igual de emocionante ha sido la evolucin de las aplicaciones. Inicialmente, componentes basados en polvos fueron seleccionados simplemente por su bajo costo. Ms reciente, la principal razn de seleccionar una ruta de PM ha sido asociado con el mejoramiento de la calidad, homogeneidad o propiedades en conjunto de costo atractivo y productividad. Las superaleaciones de altas temperaturas de nquel, la dureza especfica de aleaciones de aluminio para aeronaves y compuestos de aluminio con expansin termal controlado son algunos buenos ejemplos de esta evolucin. No solo podrn ser fabricados con mejor economa de material por medio de polvos, sino tambin por nuevas y mejores composiciones que estn siendo desarrollados as aprovechando el control qumico y de la micro estructura. La expansin de los procesos de PM en las reas que requieren materiales de alta calidad y propiedades nicas crearn ms oportunidades para el futuro.RAZONES PARA USAR PULVIMETALURGIA

Muchos atributos contribuyen al xito de la PM. Hay tres categoras que domina y provee un concepto introductorio para el uso de la PM. Primero hay estn las variadas aplicaciones las que confan en la economa de produccin de piezas complejas. Componentes para la industria automotriz representan buenos ejemplos para esta rea y su produccin es una inmensa actividad para la PM. Dentro del rea de economa de produccin de piezas viene la preocupacin de la productividad, tolerancias y automatizacin. Tanto la precisin como los costos son bastante atractivos. Polvos de aleaciones permiten la fabricacin bajo el punto de fusin del metal. Esto elimina la segregacin y otros defectos asociados con el casting. Tambin ha propiedades nicas o justificaciones de micro estructura para el uso de PM. Algunos ejemplos incluye metales porosos, aleaciones endurecidas por dispersin de xidos y compuestos de metal-cermica. La inhabilidad de poder fabricar estas micro estructuras por medio de otras tcnicas ha contribuido bastante en el crecimiento de la PM. Por ltimo se menciona aplicaciones cautivas. Estos son los materiales que son bastante complicados de procesar utilizando otras tcnicas. Ejemplos ideales son los metales reactivos y refractarios, las que la fundicin no es prctico. Otro grupo emergente son los metales amorfos. En muchos casos es deseable poder formar un polvo y desarrollar procesos a bajas temperaturas para evitar daos a la micro estructura. Las tcnicas de la PM son atractivos dado que todo el procesamiento puede ser logrado en el estado slido. EL FUTURO DE LA PULVIMETALURGIA

Los xitos de la PM del pasado han sido atribuidos a los beneficios econmicos. Una comparacin relativa de las cantidades de produccin de polvos se indica en la figura 1.3. Esta figura normalizada muestra que el rea ingenieril constituye el segmento de mayor uso, apoyndose en el bajo costo de los materiales. Ms recientemente, los materiales exclusivos y difcil de procesar han contribuido a la expansin de tecnologa de la PM. Hay seis ingredientes necesarios para lograr un crecimiento continuo: 1. Alto volumen de produccin de piezas estructurales precisas de alta calidad de aleaciones frreas2. Consolidacin de materiales de alto desempeo, donde la densidad total y confiabilidad son las preocupaciones primordiales 3. Fabricacin de materiales difciles de procesar, donde aleaciones de alto desempeo totalmente densas puedan ser fabricados con micro estructuras uniformes 4. Consolidacin econmica de aleaciones especiales, tpicamente compuestos que contienen fases mixtas 5. Sintetizacin de materiales no equilibrados como amorfos, micro cristales o aleaciones meta estables 6. Procesamiento de piezas complejas con ingredientes exclusivos o formas poco comunes

Figura 1.3 comparacin de la produccin relativa para algunos de los polvos metlicos ms comunes. La Pulvimetalurgia est creciendo da a da. El uso de polvos metlicos continua expandindose y el rubro est creciendo ms rpido que cualquier otro mtodo de trabajar metales. Adems, la necesidad de personal calificado est creciendo ms rpido dado la diversidad y dificultad de las aplicaciones que estn siendo desarrolladas por la PM. Est claro que a medida que los conocimientos de esta materia aumentan, aparecern muchas aplicaciones ms para la PM. La mayora de los usos actuales se basan en la economa de los procesos. El futuro promete ms desafos con la combinacin de ahorrar costos y ciertos factores como la confiabilidad, calidad, dureza, control de dimensin y la capacidad de formar piezas exclusivas. La apreciacin abierta de estas ventajas proveern oportunidades de crecimiento econmico y tecnolgico. Investigaciones del uso de polvos metlicos ofrecen esperanza para aplicaciones aun ms diversas, incluyendo aleaciones magnticas de alta solidificacin, aleaciones nuevas para aeronaves y estructuras de alta dureza involucrando micro estructuras a escalas muy pequeas.