Procesos De Manufactura - Pulvimetalurgia

7/31/2019 Procesos De Manufactura - Pulvimetalurgia

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UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIAFACULTAD SECCIONAL DUITAMA

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

PROCESOS DE MANUFACTURA


PULVIMETALURGIA

JERSON ALBERTO PEREZ MUÑOZ200810465

Presentado a:Ing. AMADEO AGUDELO

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIAINGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

DUITAMA2011






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INTRODUCCION

En el tema de nuevos materiales, varias de las grandes

Mejoras e innovaciones del siglo pasado se han realizado

Gracias al desarrollo de la metalurgia de polvos o

Pulvimetalurgia (PM); el

Éxito de esta técnica se debe a que abre la posibilidad

De fabricar piezas de alta calidad de formas complejas

Con dimensiones cercanas a las del producto final y con

mejores propiedades mecánicas, por su mayor homogeneidad

y control del tamaño de los granos; factores

esenciales para lograr la formación de enlaces fuertes

entre las partículas y en consecuencia, incrementos en ladureza y tenacidad de los materiales.






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PULVIMETALURGIA

La Pulvimetalurgia es un proceso de conformación metálica, como la

forja, o el moldeo, Esta técnica presenta un control dimensional muyexacto. La Pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde laobtención de polvos metálicos hasta las piezas acabadas, es decir,producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabado. Sucompetidor más directo es el moldeo de precisión o moldeo a la ceraperdida. La industria pulvimetalúrgica se basa en la producción degrandes series en las cuales el costo del mecanizado influyedecisivamente en el costo del producto sinterizado.

El proceso de Pulvimetalurgia, consiste en prensar polvos metálicos para

darles forma determinada; el prensado se hace con prensas similares alas de los procesos normales de formado con matrices más complejas ylos materiales en polvo se deben someter a tratamiento térmico en unhorno para sinterizarlos. La primera aplicación en la industria modernafue la formación de alambres con materiales en polvo que eran muyduros para trabajarlos o fundirlos. La metalurgia de polvos es muyusada para formar una gran cantidad de piezas pequeñas, en esteproceso es factible fabricar o trabajar ciertos materiales que por otrosmedios es casi imposible. Los puntos de fusión de los metales

refractarios como el Tungsteno (3000ºC), el Titanio (2996°C)) y elMolibdeno (2620°C) son muy difíciles de trabajar.






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Otras sustancias como el Zirconio ( 1900ºC) reaccionan intensamentecon los medios ambientales cuando se funden. .La metalurgia de polvos

es una forma práctica para refinar y fabricar piezas de estos metales,también es el único método factible de consolidar y formar losmateriales separados para herramientas, como los carburos cementadosy los óxidos sinterizados. Las combinaciones de los metales y nometales que no son obtenibles en forma económica, por aleación esposible gracias al proceso de metalurgia de polvos, esto es de valor






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particular en la industria eléctrica, como en los imanes y en lasescobillas de motor donde los puntos de contacto deben tenerconductividad apropiada para ser resistentes al desgaste y al aire. Las

escobillas se hacen de polvo de cobre, grafito y algunas veces estaño, ypara los puntos de contacto se requieren combinaciones comoTungsteno, cobre o plata.

CERMETS

La metalurgia de polvos hace posible una clase de materiales conocidoscomo CERMETS, o combinación de metales y cerámicos, con laresistencia de los metales o aleaciones y la resistencia a la abrasión y alcalor de los compuestos metálicos. Los CERMETS tienen diferentes

aplicaciones como en aparatos químicos resistentes a la corrosión,equipo para energía nuclear, bombas para servicios severos y sistemaspara manipular combustible de cohetes. Este proceso abarca lapreparación de los polvos y su conformación por prensado en caliente enartículos útiles. En forma básica un polvo de metal se compacta enforma deseada y se calienta para reforzar el compacto por sinterizado.

POLVOS DE METAL

Las composiciones más usadas son los polvos en base de cobre o de

hierro, latón y acero para partes estructurales, bronce para cojinetes.Otros de importancia aunque en cantidades menores son aceroinoxidable, aluminio, titanio, níquel, estaño, tungsteno, cobre, zirconio,grafito y óxidos metálicos y carburos. Se usan polvos de metal puropara ciertas partes y aleaciones para otras. Estas últimas puedenobtenerse aleando un metal antes del pulverizado y por el mezclado depolvos de los ingredientes deseados. Las principales características delos polvos metálicos son la forma , el tamaño y ladistribución de laspartículas,la pureza, la estructura del grano, la densidad, la velocidad de

flujo y la compresibilidad. La mayoría de los polvos de metal se obtienenpor reducción de mineral refinado, de escoria de láminaciónu óxidospreparados por monóxido de carbono o hidrógeno, los granos tienden aser porosos.






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Los metales pueden atomizarse en una corriente de aire, vapor o gasinerte. Algunos pueden fundirse por separado e inyectarse a través deun orificio en la corriente. Otros como el hierro, y el acero inoxidable,pueden fundirse en un horno eléctrico (como aspersión del metal).Encondiciones controladas el polvo de metal puede depositarseelectrolíticamente. Se calienta para recocerlo y expulsar el hidrógeno, seselecciona y se mezcla. Los polvos electrodepositadosse encuentranentre los de más pureza y tienen características dendríticas.La moliendaen los molinos de bolas, martillos, trituradores, es unmedio paraproducir polvos casi de cualquier grado de finura a partir de metalesfrágiles o metales maleables.






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Los granos de carburo de tungsteno se pulverizan en esta forma,algunos metales maleables se muelen con un lubricante en hojuelas yson usados para pinturas y pigmentos. Puede hacerse que el níquel o el

hierro reaccionen con monóxido de carbono para formar carbonilosmetálicos como el NICOLA. Estos se descomponen en polvos finos demetal de alta pureza, de grano uniforme y en partículas redondas.

Fabricación de polvos metálicos Perdigonado es el proceso de dejar caeral agua, partículas fundidas, desde una abertura pequeña pasando através de aire o de un gas inerte. Otros métodos usados de hacer polvosde metal, incluyen el maquinado.

PROCESOS DE FABRICACIÓN

Las operaciones básicas de compactar y calentar pueden combinarse endiversas formas en los procesos para la fabricación de polvos de metal.Además las operaciones de compresión y sinterizado son variadas y secontrolan para adecuarse a muchas condiciones.

COMPRESIÓN

El efecto de la presión en el metal en polvo es comprimir las partículaspara colocarlas en su lugar, iniciar enlaces interatómicos e incrementar

la densidad de la misma. En forma teórica si un polvo se comprime losuficiente, alcanzaráel 100% de la densidad y resistencia del metalpadre, cuando menos al ser sinterizado. La mayoría de las partes secomprimen en frío, a veces pueden comprimirse o forjarsesubsecuentemente. La compresión en caliente produce la mayorexactitud. La forma de la partícula adecuada, el tamaño, la distribucióndel tamaño, la selección cuidadosa y la mezcla son necesarias paraobtener una parte comprimida satisfactoria. Las mejores ligas seobtienen entre partículas abruptas, pero las partículas redondas fluyen

mejor en el molde y bajo presión. La forma en que el polvo llena el dadodetermina la velocidad de operación.

El metal en polvo se comprime en una cavidad o dado para tomar laforma de la parte mediante uno o más punzones. La calidad depende deempacar con uniformidad el material. El material en polvo no fluye confacilidad en las esquinas y los recesos como los fluidos. La fricción es






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alta entre las partículas y las paredes del dado. Por tanto, un solopunzón no puede compactar a densidad uniforme cualquier parte, sinosolo las más simples. Las partes que en particular tienen escalones,

paredes delgadas, bridas, etc., deben comprimirse con dos o máspunzones para distribuir uniformemente la presión a través de lassecciones. Las partes más complejas pueden requerir hasta dosmovimientos superiores y tres o cuatro movimientos inferiores delpunzón e incluso ciertos movimientos laterales al corazón se suministranpor la prensa.

La compresión de polvos normalmente se hace en prensas diseñadasespecíficamente para tal propósito. Se evalúa una de dichas prensas por

la fuerza que puede suministrar y por la máxima profundidad de lacámara de dado que puede acomodar. La medición de la fuerzadetermina el área de la sección transversal de la parte más grande quepuede sujetarse a una presión dada. La profundidad de la cámara deldado, llamada lleno de dado, determina que tan profundo puede ser elllenado de polvo en un dado. Esto limita la longitud de la partecomprimida a razón de la profundidad de polvo respecto a la longitud dela parte compactada de 2:1 a 3:1 para el hierro y el cobre y hasta de8:1 para algunos materiales.

OTROS MÉTODOS DE COMPACTACIÓN

El metal en polvo puede colarse, deslizándolo en moldes. El polvo sedispersa en un líquido que contiene químicos para mojar las partículas yayudar a distribuirlas en la masa del molde. El molde puede ser poroso






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para absorber líquido libre y puede vibrarse para densificar el compacto.Las partes coladas por deslizamiento se sinterizan después para quetengan resistencia adecuada. Se usan agregados de fibra para la

absorción del sonido y de la vibración o como refuerzo para los plásticosy metales. El costo del molde es bajo y es económico para partes queson complejas o en pequeñas cantidades.

Un método para polvos pesados, como el carburo de tungsteno, es lacompactación centrífuga. El polvo se hace girar en un molde y seempaca con uniformidad y a presiones hasta de 3 Mpa(400 psi) en cadapartícula. El metal en polvo también se moldea por inyección, el lodo delpolvo en agua o mezclado con un material termoplástico se inyecta en

un dado, el aglutinante se remueve en el sinterizado. Se compactancintas continuas y varillas laminando piezas de cobre, latón, bronce,monel, níquel, titanio, acero inoxidable o fibras.

Una forma de aplicar la presión para obtener una densidad uniforme esencerrar el polvo en un molde con forma de plástico o hule con la formadeseada y sumergirlo en un gas o líquido en una cámara bajo presión de70 a 700 Mpa. Pueden elaborarse partes complicadas asimétricas ygrandes con más facilidad que con otros métodos, los dados de metal noson necesarios. El polvo de metal, en contenedores de metal o cerámica

y las preformas, se sujetan a presiones de gas tan altas como 350 Mpa(50.000 psi) a temperaturas hasta 2200ºC en la compresión isostáticacaliente. Se ha encontrado que esto es efectivo para metalesrefractarios, cerámicas, cermets y polvos esféricos que no responden ala compresión en frío. Los polvos de acero inoxidable, uranio y zirconiose sellan en latas y se compactan al ser extruidos a través de dadosmientras están protegidos de la contaminación.

Los tubos largos pueden compactarse magnéticamente, el metal enpolvo se vierte rodeando un mandril dentro de un conductor coaxial, sepulsa una corriente de 1 MA a través de conductores y se establece elcampo magnético que oprime el conductor interno contra el compacto.

SINTERIZADO

El sinterizado refuerza los enlaces entre las partículas formando uncompacto de metal en polvo. En todos los casos esto ocurre debido a






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que los átomos de las partículas en contacto se entremezclan, losconstituyentes del compacto pueden o no fundirse. Si existe un soloconstituyente como en el sinterizado del polvo de hierro, se presenta

una sola fase continua. En compactos de dos o más metales diferentes,se forman fases de compuestos intermedios en los puntos de liga de laspartículas. Con el sinterizado, las áreas ligadas crecen y el material llenalos vacíos entre las partículas. Se ha comprobado que la difusión y elmovimiento de los átomos en las superficies de las partículas son lasactividades principales en las etapas iniciales del sinterizado. La tensiónsuperficial es la fuerza que impulsa a reducir el área de la superficie,redondeando y suavizando las irregularidades superficiales.

El sinterizado por chispa se hace colocando polvo suelto en un dado, sepasa una corriente intensa a través de él y se aplica presión al mismotiempo. Una corriente inicial limpia la capa de óxido de las partículas depolvo, para facilitar la unión de las superficies, una corriente calienta lamasa bajo presión, éste proceso se ha desarrollado en la industriaaeroespacial para laelaboración de muchas de sus partes.

IMPREGNACIÓN

Los cojinetes de polvo metálico se pueden impregnar con aceite, grafito,

cera u otros lubricantes, se obtiene un cojinete sellado, libre demantenimiento, con el lubricante ya integrado, no se necesitalubricación desde el exterior. Estos productos se aplican en bujes,bombas de agua, alternadores, motores de arranque y equiposimilar.Las partes de metales en polvo y todas las clases de coladoscomo monobloques de motor, cajas de engranajes, cuerpos de bomba ymuchos más se impregnan para sellar los poros y evitar fugas enservicio. esto se hace con silicato de sodio,resinas poliéster o polímerosanaeróbicos.

INFILTRACIÓN

La infiltración consiste en reforzar el producto de polvo y hacerlo másdenso al colocar una pieza metálica sólida sobre la pieza formada conpolvo y sinterizada para luego volver a sinterizar ambas piezas. Lasegunda pieza se funde y la absorbeel objeto poroso hecho con el polvo.Este proceso imparte cualidades de tenacidad, durabilidad, resistencia y






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densidad al producto hecho con polvo metálico. polvo de hierro-cobre.La infiltración aumenta la resistencia de 70% a 100%. Las partes dehierro pueden tener carbono agregado a la mezcla original o

carburizarsedespués del sinterizado, luego el tratamiento térmico detemple y revenido.

TRATAMIENTO TÉRMICO

Los productos de polvos metálicos se pueden someter a tratamientotérmico por los métodos convencionales para mejorar la dureza,tenacidad y otras propiedades metalúrgicas deseables, el período decalentamiento debe ser más largo que para piezas similares de materialmacizo, pero el enfriamiento debe ser más rápido, debe evitarse la

oxidación por medio de atmósferas protectoras. La oxidación puededisminuir la resistencia y producir puntos débiles e impurezas en elobjeto. Los problemas con la oxidación son más serios con los metalesen polvo que con los macizos.

ELECTRODEPOSICIÓN

Se pueden electrodepositarla mayoría de los metales en los productosde metal en polvo, como cobre, oro, plata, cromo y otros. La porosidadde las piezas de metal en polvo presentan algunos problemas que no se

encuentran en los metales macizos, estas piezas se suelen impregnarcon sustancias resinosas o plásticas para evitar la absorción de lasolución electrolítica.Los objetos de polvos metálicos se pueden trabajarcon operaciones similares al punzonadoy acuñado, se calientan después,para aumentar su dureza y tener más uniformidad en la estructura ydensidad de los granos.

MAQUINADO

El maquinado suele hacerse con métodos convencionales, que no

requieren adaptaciones al herramental o a las máquinas, no se usanaceites para corte, debido a la porosidad de los objetos, como no setiene enfriamiento, se genera un intenso calor durante el maquinado,que disminuirá la duración de las herramientas de corte. En algunassituaciones en las cuales se necesita utilizar lubricantes, se emplean






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líquidos volátiles y disolventes, los cuales se evaporan con rapidez y nodejan manchas ni residuos.

OPERACIONES DE ACABADOEstas imparten propiedades o características especificas a las partes demetal: la infiltración, tratamiento térmico, impregnación y maquinado.Las partes de metal en polvo pueden volverse a comprimir después delsinterizado. Esto se denomina dimensionado si se hace para mantenerdimensiones y acuñado para aumentar la densidad. La recompresiónpuede hacerse en prensas compactado raso en prensas ordinarias.

Las partes de precisión hechas a partir de los polvos, como engranajes,

tiene que determinarse el tamaño para incrementar su precisión y sudensidad.

OPERACIONES DE ACABADO

Estas imparten propiedades o características especificas a las partes demetal: la infiltración, tratamiento térmico, impregnación y maquinado.Las partes de metal en polvo pueden volverse a comprimir después delsinterizado. Esto se denomina dimensionado si se hace para mantenerdimensiones y acuñado para aumentar la densidad. La recompresión

puede hacerse en prensas compactado raso en prensas ordinarias.DISEÑO DE PARTES DE METAL EN POLVO

Deben observarse varias reglas para diseñar partes en forma apropiaday mantener las partes tan pequeñas como sea posible. Las formas másfáciles de comprimir son los cilindros, cuadrados y rectángulos. Sonmejores las piezas planas. Los pasos agregan dificultad para obtener lahomogeneidad. Deben evitarse aristas y esquinas agudas, filos delgadosy ranuras profundas ya que debilitan las herramientas, las preformas y

las partes terminadas. Una parte no debe tener contrasalidas que evitenque se saquen del dado cuando se compactan. Las paredes que son muydelgadas se vuelven difíciles de llenar, la longitud de una parte no debeexceder de dos a tres veces su diámetro. Se deben evitar esquinasagudas en los ensanchamientos. Se deben tener un radio de curvaturaen los cambios de sección.






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Las secciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre sí

Porque tienen diferente expansión con el calor y causan grietas. Las

paredes que son muy delgadas se vuelven difíciles de llenar. La longitudde una parte no debe exceder de dos a tres veces su diámetro. Lassecciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre sí porquetienen diferente expansión con el calor y causan grietas. Las toleranciasmás prácticas son de más o menos 20 um/ cm para diámetros y más omenos 30 um/ cm a lo largo. Los polvos metálicos no llenan bien losdados que tienen bordes agudos. Deben preferirse diseños con aristasredondeadas.

PRODUCCIÓN DE LOS POLVOS METÁLICOS

Existen tres procesos principales para producir el metal base y luegoreducirlo a polvo. Normalmente los polvos se hacen con metales que sehan procesado en forma específica para pulverizarlo. Algunos metalesdestinados a la pulverización se producen con electrólisis, incluyenhierro, plata, tantalio y cobre. Algunas aleaciones de hierro, níquel,cobalto, molibdeno y tungsteno tienen un alto contenido de impurezas yse producen por reducción del metal en un horno. El tratamiento enhorno, debido a los gases y la oxidación, suele dejar mayor cantidad de

impurezas que en los metales producidos por electrólisis o en hornos deinducción.

La acción del molino de bolas para la producción de polvos porTriturado se ilustra como una molienda continua que se realiza al girarel tambor.






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El laminado de polvos puede producir tiras de metales difíciles detrabajar, refractarios o reactivos.

Industria De La Pulvimetalurgia

La tecnología PM es una realidad industrial, lo suficientemente maduracomo para asumir un papel preponderante en el desarrollo de materialesavanzados, para la obtención de piezas metálicas, de difícil






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manufactura, con excelentes tolerancias, de alta calidad y en grandesseries.

En este proceso se preparan aleaciones mezclando los polvos metálicossecos, en ocasiones, combinados con otros elementos como cerámicos opolímeros, prensándolos a alta presión y calentándolos después atemperaturas justo por debajo del punto de fusión del metal principaldurante el tiempo suficiente para que se enlacen las partículas de losdiferentes polvos; el resultado es una aleación sólida y homogénea conpropiedades especiales. El desperdicio de materiales es reducido; admitecombinaciones o mezclas poco comunes, y permite lograr grados deporosidad y permeabilidad controlados.

Estas características hacen que la Pulvimetalurgia se identifique comoun proceso eficiente, de alta productividad, con ahorro de energía ymaterias primas. Consecuentemente, la tecnología de polvos, estácreciendo y reemplazando métodos tradicionales para conformar piezasmetálicas como la fundición y la forja. Además, es una técnica demanufactura flexible y útil para un amplio rango de aplicaciones, comopor ejemplo compuestos resistentes al desgaste, filamentos detungsteno para ampolletas, restauraciones dentales, rodamientos auto-lubricantes, engranes de transmisión para automóviles, componentes

eléctricos, refuerzos para tecnología nuclear, implantes ortopédicos,filtros, pilas recargables, y piezas para aeronaves. Otros ejemplos sonlos discos de esmerilar, brocas y herramientas de corte y desbaste.






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Bibliografía

Introduccion a la ciencia e ingenieria de los materiales;

Callister, 1995. Ciencia e ingenieria de los materiales, Donald R. Askeland, 3ª

edición. Introduccion a la metalurgia fisica, Sydney H. Avner, 2ª

edicion Portal De La Ingenieria: [www.portalingenieria.com.ar]

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