TEMA 6. CONFORMADO Y COMPACTACIÓN - · PDF file1 TEMA 6. CONFORMADO Y...
Transcript of TEMA 6. CONFORMADO Y COMPACTACIÓN - · PDF file1 TEMA 6. CONFORMADO Y...
1
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
2
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.
3
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
4
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
5
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
6
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
7
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
8
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
9
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
10
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
11
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
12
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
13
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
14
Compactacion convencional
15
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)
16
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
17
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
18
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
19
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
20
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
21
Bases teóricas.
DADHKP
SADHKP
−=
−=
µσ
µσ
1
21
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
22
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
24
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
=−
−
11
NO CONSIDERA LOS FENÓMENOS FÍSICOS ANTES DESCRITOS
•Reordenamiento•Deformación local en los puntos de contacto•Endurecimiento•Compresión
Heckel
25
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
26
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
27
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
28
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
31
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
32
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
33
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
35
One Two Three
Compactacion convencional. Clasificación por complejidad geométrica
POSICIÓN DE LA LINEA NEUTRA A DISTINTOS NIVELES.PUNZONES MULTIPLES. CUIDADO CON CONCENTRADORES DE TENSIONES
36
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
37
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
39
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
40
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)
41
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.
42
Tecnología de compactación. Utillajes
43
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
44
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
45
Ejemplos
46
47
48
49
50
51
52
53