INGENIERÍA DE FABRICACIÓN

PULVIMETALURGIA

Pulvimetalurgia

7.2

Tema 7 PULVIMETALURGIA

7.1 INTRODUCCIÓN

Aunque la pulvimetalurgia o metalurgia de polvos se identifica como una tecnología aplicable al conformado de componentes metálicos, de forma general, podemos definirla como el proceso de fabricación de componentes, metálicos, no metálicos, o mezcla de ambos, a partir de polvos de materiales, los cuales se comprimen para reproducir la forma deseada y se calientan, sin superar el punto de fusión, para que se produzca la unión de las partículas.

Actualmente se fabrica una gran cantidad de componentes mediante este proceso, pero los inicios de esta tecnología se remontan a la antigüedad, donde se utilizaban polvos de oro, cobre, y óxidos de metales para uso decorativo, bases de pinturas, o para la fabricación de herramientas. El proceso actual data de principio del siglo XIX cuando un ingeniero inglés aplicó presión en frío y sinterizó polvo de platino para producir platino dúctil.

Posteriormente, se fabricaron rodamiento autolubricantes y hacia 1900 se fabricó tungsteno, material que por su elevado punto de fusión y sus especiales propiedades, no se podía procesar por otros métodos. Después comenzó la fabricación de materiales superduros para herramientas, como los carburos cementados, hasta llegar al momento actual en el que la metalurgia de polvos es una realidad industrial, lo suficientemente desarrollada como para intervenir de forma predominante en la generación de materiales avanzados que permiten la obtención de componentes de difícil fabricación, con una notable calidad y en producciones elevadas, aplicados especialmente en la industria aeronáutica y en la producción de energía.

Figura 1 Piezas obtenidas por pulvimetalurgia (WWW.METALACTUAL.COM)

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7.3

Las etapas que comprende el proceso de pulvimetalurgia son las siguientes:

1. Producción del polvo

2. Mezclado del polvo y fabricación de la matriz

3. Compresión del polvo

4. Aplicación de calor

En la Figura 2 se muestra el esquema de procesos y operaciones según las etapas descritas. La propiedades finales están afectada por el ciclo calor-presión.

Las ventajas y limitaciones que ofrecen este tipo de conformado se recogen en la siguiente tabla [Tabla 1].

Tabla 1 Ventajas y limitaciones de los procesos pulvimetalúrgicos

VENTAJAS LIMITACIONES

Se produce con la forma final, o casi final, eliminando la necesidad de operaciones de acabado

Los equipos y herramientas son muy costosos, por lo que son necesarios elevados niveles de producción

No se producen apenas desperdicios, aprovechándose casi el 97% del producto inicial

El coste del polvo metálico es muy elevado, así como su manipulación y almacenaje

Se pueden fabricar componentes con un nivel específico de porosidad

Existen limitaciones de forma, debido a la dificultad en la fluencia del material.

Permite el procesado de determinados materiales a los que no pueden aplicarse otros procedimientos

En ocasiones se presentan variaciones de densidad, sobre todo en el caso de geometrías complejas

Permite obtener elevadas características dimensionales

El tamaño de las piezas debe ser reducido

Son procesos automatizables

Figura 2 Secuencia de operaciones e identificación de procesos

POLVOS METÁLICOS MEZCLADO

COMPACTACIÓN EN FRÍO

COMPACTACIÓN EN CALIENTE

SINTERIZADO

OPERACIONES SECUNDARIAS Y

DE ACABADO

AtomizaciónReducción

Deposición electrolíticaTrituración, etc.

PrensadoLaminado

Prensado isostáticoExtrusión, etc

Prensado isostático

Atmósfera al vacío

AcuñadoForjado

MecanizadoImpregnaciónInfiltración, etc

AditivosLubricantes

POLVOS METÁLICOS MEZCLADO

COMPACTACIÓN EN FRÍO

COMPACTACIÓN EN CALIENTE

SINTERIZADO

OPERACIONES SECUNDARIAS Y

DE ACABADO

AtomizaciónReducción

Deposición electrolíticaTrituración, etc.

PrensadoLaminado

Prensado isostáticoExtrusión, etc

Prensado isostático

Atmósfera al vacío

AcuñadoForjado

MecanizadoImpregnaciónInfiltración, etc

AditivosLubricantes

POLVOS METÁLICOS MEZCLADO

COMPACTACIÓN EN FRÍO

COMPACTACIÓN EN CALIENTE

SINTERIZADO

OPERACIONES SECUNDARIAS Y

DE ACABADO

AtomizaciónReducción

Deposición electrolíticaTrituración, etc.

PrensadoLaminado

Prensado isostáticoExtrusión, etc

Prensado isostático

Atmósfera al vacío

AcuñadoForjado

MecanizadoImpregnaciónInfiltración, etc

AditivosLubricantes

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7.4

7.2 CARACTERÍSITICAS DE LOS POLVOS METÁLICOS

El proceso comienza con la fabricación de los polvos metálicos, y aunque todos los metales pueden producirse en forma de polvo, no todos cumplen con las características necesarias para poder conformar una pieza. Un polvo puede definirse como un sólido dividido en partículas finas, en el cual se definen las siguientes características:

7.2.1 Pureza y composición química

Desde un punto de vista químico, los polvos pueden clasificarse en elementales y prealeados. Los primeros corresponden al metal puro, y son utilizados en aplicaciones es necesaria una elevada pureza del metal (ej. hierro puro cuando se necesitan sus propiedades magnéticas). Los más importantes son el hierro, el cobre y el aluminio. Los polvos elementales se mezclan en ocasiones con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales que son difíciles conseguir por métodos convencionales.

En los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Se usan cuando la aleación no puede conseguirse a partir de polvos elementales. Ejemplos son el acero inoxidable, ciertas aleaciones de cobre, o los aceros de alta velocidad. Otros materiales son el tungsteno, titanio, molibdeno, estaño y metales preciosos.

7.2.2 Tamaño de partícula y su distribución

El tamaño y distribución de las partículas influyen en gran medida en el producto final, y si no son de una forma geométrica regular, su proporción y distribución pueden variar en el producto final, teniendo un importante efecto en la resistencia, porosidad, densidad, permeabilidad, etc. [Figura 3]. El tamaño de partícula que se utiliza en la metalurgia de polvos puede variar de 5 a 200 µm y para obtener datos sobre dicho tamaño y forma se suelen utilizar distintos métodos. El más común se basa en la utilización de cribas de diferentes tamaños de malla, utilizándose el término número de malla, para identificar el número de abertura por área unitaria. Cuanto mayor es el número de malla, más pequeño debe ser el tamaño de partícula para atravesarla.

Figura 3 Posibles formas de partículas (M.P. Groover)

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7.5

Otros métodos utilizados para medir el tamaño de partícula son por sedimentación, microscopía electrónica u óptica, o técnicas de rayos X.

En resumen, el tamaño de la partícula no debe ser no demasiado grande ni demasiado pequeño, ya que las partículas grandes no presenta la estructura deseada, y cuando son excesivamente pequeñas pueden ser difíciles de manejar y tienden a aglomerarse. El tamaño debe ser tal que favorezca la mayor relación superficie volumen, lo que produce mayor área de contacto y cohesión entre partículas, resultando el material final con mejores características físicas.

7.2.3 Densidad, factor de empaquetamiento y porosid ad

Se define densidad real a la densidad del volumen del material si los polvos se fundieran en una masa sólida. Por otro lado, la densidad volumétrica es la que poseen los polvos en estado suelto después del vaciado, lo cual incluye el efecto de los poros entre las partículas. Por ello, esta densidad es menor que la real.

El factor de empaquetamiento es la relación entre la densidad volumétrica y la densidad real, tomando como valores típicos 0,5 y 0,7. Este factor depende de la forma de la partícula y de la distribución de las mismas. Cuando se presentan diferentes tamaños, los polvos más finos se ajustan entre los huecos de los grandes, que en otras circunstancias se ocuparían de aire. Esto aumenta el factor de empaquetamiento, el cual se ve reforzado además si se vibran los polvos, ya que éstos se asientan más firmemente. Además, cuando se aplica presión externa en la compactación se aumenta nuevamente el empaquetamiento debido a la recolocación y deformación de las partículas.

La porosidad se define como la relación de volumen de los poros en el polvo, respecto al volumen total. Estos poros se llaman abiertos porque son externos a las partículas individuales, y son espacios por los que puede circular un fluido como agua, aceite o metal fundido. Pero además hay poros cerrados, que son vacíos internos en la estructura de una partícula. Su presencia suele ser muy escasa y suele tener poco influencia. Por tanto, se puede expresar que:

Porosidad + factor de empaquetamiento = 1

7.2.4 Fricción entre partículas y características d el flujo

El rozamiento entre partículas dificulta la fluencia fácil y consistente de los polvos y su adecuada compactación, provocando variaciones de densidad en la parte compactada que no deseables. Una medida del flujo es el denominado factor o capacidad de flujo, que es el tiempo requerido para que una cierta cantidad de polvo fluya a través de un embudo de tamaño normalizado. Se necesita un buen factor de flujo que permita llenar el molde de forma rápida y uniforme. A tiempos menores, mayor facilidad de flujo y menor fricción entre partículas. En ocasiones, para facilitar el flujo durante el prensado y reducir la fricción se añaden pequeñas cantidades lubricante.

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7.3 FABRICACIÓN DE POLVOS METÁLICOS

Los polvos metálicos se producen por muchos métodos, tales como mecánicos, químicos, físicos o eléctricos, peor sólo unos pocos son de interés para comercial para los procesos de metalurgia, debido a la incapacidad de producir los tamaños, formas y pureza requeridos. El resto son utilizables para la producción de polvos para pintura y revestimientos metálicos o como catalizadores químicos.

7.3.1 Atomización

Se utiliza para trabajar metales de bajo punto de fusión, tales como el Pb, Sn, Al, Cd, Cu, etc. El metal fundido se fuerza a través de un pequeño orificio y se fracciona por medio de una fuerte corriente de aire comprimido, gas, líquido o vapor. El resultado es una nube de pequeñas gotas que se solidifican formando polvos. La siguiente figura muestra distintos métodos de atomización, siendo el más utilizado el del agua. El enfriamiento es más rápido y la forma del polvo es más irregular, sin poros internos. La desventaja de utilizar agua es la oxidación producida en la superficie de la partícula, y para evitarlo, últimamente se está utilizando aceite sintético en sustitución del agua. En el caso de gas se obtienen polvos grandes y esféricos. Cuando se permite la oxidación, o cuando el óxido se pude reducir posteriormente, el aire es adecuado, pero si se necesita mejorar la pureza del metal, se prefiere la utilización de un gas inerte.

Por último, la atomización centrífuga consiste en dirigir un chorro de metal fundido a un disco enfriado en rápida rotación, lanzándose el metal hacia fuera de forma inmediata, pulverizándolo. Las partículas esféricas se solidifican sin tocar ninguna superficie y permanecen limpias. La siguiente figura [Figura 4] muestra los distintos métodos de atomización considerados.

Figura 4 Métodos de atomización (M.P. Groover)

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7.3.2 Desintegración mecánica o pulverización

Con este proceso se producen los polvos necesarios mediante la aplicación de fuerza mecánica. Algunos de los métodos son el torneado, fresado, etc., utilizados en general para materiales frágiles. Otros procedimientos son los trituradores, los molinos de turbulencias o los martillo rotatorios, en los que se dan golpes continuos y potentes que desintegran el polvo metálico en pequeñas partículas. En general, posteriormente suelen aplicarse operaciones de mecanizado, tales como el fresado, que reducen aún más el tamaño.

7.3.3 Métodos químicos

Los métodos químicos que se utilizan para la producción de polvo metálico son la reducción, la precipitación y la condensación. La primera comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales. Ejemplo de ello es la liberación de los óxidos de los metales utilizando agentes reductores tales como hidrógeno o monóxido de carbono. Este método se utiliza para producir polvos de metales con elevado punto de fusión, como es el caso del hierro, tungsteno, cobalto, níquel o cobre. Las partículas obtenidas tienden a ser porosas y el tamaño puede hacerse bastante uniforme. Son ideales para aplicar bajas presiones debido a su suavidad y plasticidad.

La precipitación del elemento metálico de sus sales disueltas en agua se utiliza para polvos de cobre, níquel, plata o cobalto, y mediante la condensación se producen polvos de bajo punto de fusión. Consiste en calentar una varilla de metal a alta temperatura, de forma que se vaporiza el metal haciendo pasar las gotas de vapor por una superficie fría del material, donde el metal puro condensa en forma de polvo. No es un método económico para la producción a gran escala.

7.3.4 Electrólisis

Es el método que permite producir un elevado grado de pureza con una gran variedad de metales. Se utiliza una celda electrolítica en la que el ánodo es la fuente de metal a pulverizar. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado y se mueve por el electrolito hasta llegar al cátodo. Se retira al alcanzar el grado de pureza deseado, se lava para eliminar las impurezas y se seca.

En general, esta técnica se utiliza para la producción de polvos de cobre, plata, hierro, tantalio titanio, etc. Los polvos obtenidos, debido a su pureza, son resistentes a la oxidación, presentando además una estructura dendrítica característica, con una baja densidad y facilidad para la compresión. El polvo de cobre es muy utilizado para la fabricación de cojinetes porosos.

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7.4 PROCESADO DE POLVOS METÁLICOS

7.4.1 Acondicionamiento y Selección

Antes de llevar a cabo su procesado, los polvos deben someterse a una serie de operaciones previas que permitan garantizar su pureza química, la uniformidad de dimensiones y la capacidad para soportar los requisitos de uso.

En primer lugar, las partículas se limpian para eliminar principalmente el óxido y cualquier tipo de elemento extraño que afecte negativamente al material. La eliminación de óxido puede se un proceso sencillo de reducción, como el caso de hierro, o por el contrario suponer la aplicación de técnicas especiales para mantener bajo el contenido en oxígeno, como sería el caso de las superaleaciones.

Posteriormente, se realiza la operación de secado a una elevada temperatura en atmósfera reductora, de forma que se pueda eliminar aún más el óxido presente. Estas altas temperaturas favorecen un cierto sinterizado que genera copos o esponjas, que pueden requerir un nuevo proceso de reducción de tamaño.

Por último el material se clasifica por tamaños a través de cribas u otros procedimientos.

7.4.2 Mezclado

Para que los resultados de las operaciones posteriores, compactado y sinterizado, sean favorables, los polvos metálicos necesitan homogeneizarse perfectamente. El mezclado puede realizarse con polvos metálicos de la misma composición química, o puede referirse a mezclas de polvos de diferente composición química, lo cual aporta la ventaja de combinar varios metales en aleaciones que sería muy difícil conseguir por otros medios. En cualquier caso, el mezclado permite mejorar la homogeneidad con una distribución aleatoria de tamaño y formas de partícula. Debe ser completo, con cada partícula uniformemente recubierta y con los diferentes componentes dispersos.

Se utilizan diferentes métodos mecánicos, como los que aparecen en la siguiente figura: a) rotación en tambor; b) rotación en recipiente cónico doble; c) agitación en mezclador de tornillo; d) agitación en mezclador de paletas [Figura 5].

Figura 5 Métodos de mezclado (M.P. Groover)

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En ocasiones, se añaden aditivos que permiten reducir la fricción, como es el caso de los lubricantes, o cuando se requiere lograr una resistencia adecuada en las partes prensadas sin sinterizar, como serían los aglutinantes.

7.4.3 Compactación

La compactación permite transformar el polvo metálico en la forma deseada, utilizando diferentes métodos en función del material y de la densidad requerida. La forma de las partículas, el tamaño, la distribución, así como una selección y mezcla adecuadas son necesarias para obtener una parte comprimida satisfactoria. Mediante la aplicación de una alta presión se obtiene el denominado cuerpo verde, es decir, aquel que no está completamente procesado. La densidad en verde es superior a la inicial, siendo mayor si el polvo es esférico. En el curso del prensado, se produce una recolocación más eficiente de los polvos, se reducen los espacios de poros y se incrementa el número de contactos entre partículas. Al aumentarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto entre ellas aumente y entren en contacto partículas adicionales, reduciéndose aún más el volumen de los poros. Se adquiere una resistencia en verde adecuada para el manejo, pero mucho menor que la que se conseguirá después del sinterizado. Esta resistencia es mayor con tamaños irregulares, ya que se produce un mayor entrelazado de partículas.

Compactación convencional

Tiene su aplicación más amplia en piezas de forma neta (o casi neta). Se realiza en prensas mecánica, hidráulicas o combinación de ambas. En cuanto a las matrices, normalmente están construidas con acero de alta resistencia, o para producciones elevadas y condiciones severas de trabajo, se fabrican con carburo de tungsteno cementado. La densidad del cuerpo depende del método de compactación utilizado:

a) Compactación simple: cuando se compacta polvo en una cavidad, con un punzón en una única dirección, la efectividad es limitada se produce una distribución irregular de densidad debido a la fricción entre partículas y con las paredes de la matriz. La densidad disminuye a medida que el cuerpo se aleja del troquel. Debido a ello, este método es factible para componentes delgados y planos. Se requiere un movimiento activo de compresión, realizado por el troquel superior, y un movimiento de eyección, proporcionado por el troquel inferior.

Figura 6 Ejemplo de compactación por doble acción

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7.10

b) Compresión por doble acción: en este caso, los movimientos son iguales al anterior, con la diferencia de que el troquel inferior está activo durante la compactación, no simplemente durante la eyección, es decir, los troqueles se mueven uno contra otro a la misma velocidad. De esta forma se reduce el efecto de fricción en las paredes laterales y se mejora la uniformidad [Figura 6].

c) Con matriz flotante: provoca un efecto similar al anterior. La matriz flotante desciende una distancia igual a la mitad de la carrera del troquel debido a la fricción entre el polvo y las paredes de la matriz. La eyección puede efectuarse bajando una poco más la matriz, o bien elevando el troquel inferior.

d) Con punzones múltiples: se utiliza cuando se presentan espesores diferentes. Los punzones están guiados uno dentro de otro, de forma que se puede aplicar el mismo grado de compactación en todas partes, consiguiendo una densidad de llenado uniforme.

Prensado isostático

Una característica del prensado convencional es que la presión se aplica uniaxialmente. Esto impone limitaciones en cuanto a la geometría de la pieza, ya que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección perpendicular a la aplicación de presión, produciendo además variaciones de densidad en la compactación.

En el prensado isostático, la presión se aplica en todas las direcciones contra los polvos contenidos en un molde flexible, sometiéndolo a una alta presión con fluidos en una cámara de alta presión. Puede hacerse de dos formas:

1.- El prensado isostático frío (PIF, en inglés CIP) se realiza a temperatura ambiente. El molde de hule u otro material elastómero se sobredimensiona para compensar la contracción y se usa agua o aceite para ejercer la presión hidrostática. La siguiente figura muestra la secuencia del proceso: (1) colocación de polvos en molde; (2) aplicación de presión hidrostática; (3) reducción de presión y extracción de pieza [Figura 7].

Figura 7 Fases del prensado isostático en frío

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7.11

Las ventajas radican en la mayor uniformidad en la densidad, herramientas menos costosas y mayor aplicación a series cortas de producción. Sin embargo, es difícil lograr buena precisión dimensional debido a la flexibilidad del molde, por lo que se requieren operaciones adicionales antes o después del sinterizado, con objeto de obtener las dimensiones requeridas.

2.- El prensado isostático caliente (PIC, en inglés HIP), se lleva a cabo a alta presión y temperatura, usando como medio de compresión un gas, argón o helio. El molde se realiza de metal para soportar altas temperaturas. Con este método se realiza en un paso el compactado y la sinterización, pero es relativamente costos, estando su principal aplicación en la industria aeroespacial. Las características que se obtienen son alta densidad, unión interparticular completa y buena resistencia mecánica.

Moldeo por inyección

Este método está asociado principalmente a la industria del plástico, pero puede aplicarse el mismo proceso básico a los polvos metálicos o cerámicos. Inicialmente, se mezcla los polvos metálicos con el aglomerante apropiado; se forma pelets (pequeñas porciones de material aglomerado), los cuales se calientan a la temperatura de moldeo y se inyectan en la cavidad de un molde. Una vez enfriado, se retira del molde y se elimina el aglomerante. Posteriormente se sinteriza y se le aplican las operaciones secundarias necesarias. El aglomerante tiene como funciones la aportación de las características de flujo durante el moldeo y sostener el polvo en l forma moldeada hasta el sinterizado. Los principales tipos de aglomerante son los polímeros, pero también se utilizan el agua, los geles y los materiales orgánicos.

Laminación, extrusión y forjado de polvos

En el caso de la laminación, los polvos se comprimen para formar material metálico en tiras, operando de forma continua o semicontinua, como se muestra en la figura. Los polvos metálicos se compactan entre dos rodillo para formar una tira verde que se alimenta directamente a un horno de sinterizado. Posteriormente se enfría, se lamina y se resinteriza [Figura 8].

Figura 8 Laminación de polvos

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7.12

En la extrusión, el polvo inicial puede tener formas diferentes. Se colocan en una recinto metálico hermético, se calientan y se extruyen junto con el recipiente. Otra variante consiste en preformar las piezas por un prensado convencional y sinterizado, y después extruirlos en caliente. Con estos métodos se alcanza un elevado grado de densificación.

En el forjado, también se parte de una preforma que ha sido compactada y sinterizada al tamaño apropiado. Las ventajas que aporta este método son: se obtiene una elevada densidad; el coste de la herramienta es inferior y se requieren pocos golpes (por tanto, mayor producción); se genera muy poco desperdicio.

7.4.4 Sinterización

Después del prensado, el compactado verde se desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado es un proceso mediante el cual se produce un aumento de la resistencia, así como una disminución de la porosidad. Los factores más importantes son la temperatura, el tiempo y la atmósfera. Las propiedades del producto final están condicionadas al material del polvo, el tamaño y la forma de las partículas, sus características superficiales y la presión de compactación aplicadas.

En la sinterización en estado sólido, la temperatura a la que se sinteriza es 0,7 a 0,9 por debajo del punto de fusión. Se conoce como sinterizado convencional. En otras ocasiones, el sinterizado se lleva a cabo a temperatura entre los puntos de fusión de los constituyentes. Es lo que se conoce como sinterización en fase líquida. La primera se utiliza para la fabricación de componentes estructurales, mientras que la segunda es propia de productos especiales, tales como carburos y cerámicas.

La fuerza básica que mueve el sinterizado es la energía superficial. En el cuerpo en verde existen muchas partículas distintas que tienen su propia superficie, por lo que la superficie total del área contenida es alta. Con el calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de las uniones entre las partículas, lo cual implica una reducción de la energía superficial. Mientras más fino sea el polvo, mayor será la superficie del área total, y mayor la fuerza que mueve el proceso [Figura 9]. Varios mecanismos intervienen, pero los más significativos son la difusión sólida y el flujo plástico. Los enlaces interatómicos se establecen entre superficies adyacentes, los cuello crecen por el movimiento de átomos sobre la superficie hasta transformarse en límites de granos.

Figura 9 Fases del sinterizado

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7.13

La contracción ocurre durante el sinterizado como resultado de la reducción del tamaño de los poros, lo cual depende en gran medida de la densidad del compactado en verde, y ésta a su vez de la presión de compresión. Para lograr la misma densidad sinterizada, la contracción es mayor para densidades en verde menores. La contracción suele determinarse experimentalmente, pero si el proceso está adecuadamente controlado, la contracción es predecible y las partes terminadas se pueden mantener dentro de tolerancias estrechas. El tratamiento término se compone de tres etapas, realizadas en tres cámaras de hornos, generalmente continuos, y utilizando dispositivos mecanizados para el traslado de piezas: 1) precalentado, donde se queman el aglutinante y los lubricantes; 2) sinterizado; 3) enfriado.

La sinterización se lleva a cabo en una atmósfera que permita eliminar los óxidos existentes, proteger de la oxidación, suministrar una atmósfera carburizada y ayudar a la eliminación de los lubricantes y aglutinantes. Las atmósferas usuales son de gas inerte, de hidrógeno, amoniaco disociado, las de vacío, usadas para ciertos metales como el acero inoxidable y el tungsteno. La temperatura y el tiempo para el sinterizado tienen gran influencia en las propiedades finales del producto.

Prensado en caliente

En este caso, durante el proceso de prensado uniaxial se aplica simultáneamente el calor, obteniéndose un producto duro, denso, fuerte y bien dimensionado. Sin embargo, presenta problemas técnicos que limitan su aplicación, tales como la selección del material del molde para soportar elevadas temperaturas de sinterización (suelen ser d grafito o cerámico), los largos ciclos de producción requeridos o el calentamiento y control atmosférico en el proceso.

Sinterizado en fase líquida

Como ya se ha indicado anteriormente, en sistemas en los que interviene una mezcla de dos polvos metálicos, en la que existe una diferencia de temperatura de fusión entre ambos, se utiliza la sinterización en fase líquida, en la cual los polvos iniciales se calientan hasta una temperatura, que es superior a la de fusión del metal de más bajo punto de fusión, pero no del otro. De esta forma, el metal fundido moja las partículas sólidas, ejerciendo una presión capilar que mueve y presiona físicamente a las partículas, creando una estructura densa con uniones fuertes entre los metales una vez solidificados. El producto resultante está completamente densificado (sin poros) y fuerte. Sin embargo, la sinterización con una fase líquida implica contracciones muy grandes de volumen, que provoca una precisión dimensional menos que la producida en estado sólido. La producción de carburos sinterizados es un ejemplo significativo de este tipo de sinterización.

Sinterizado por chispas

Es una combinación de prensado y sinterizado, y supera alguno de los inconvenientes del sinterizado en caliente descrito en el apartado 0. Inicialmente, los polvos o un compactado verde preformado se colocan en una matriz. A continuación, los troqueles superior e inferior, que sirven también como electrodos, comprimen el material aplicando una corriente eléctrica

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7.14

de alta energía que quema los contaminantes de la superficie y deja las partículas limpias para su compactación y sinterización, todo ello de forma muy rápida.

7.5 OPERACIONES DE ACABADO

Generalmente, después de la sinterización, los componentes están listos para ser utilizados. Sin embargo, en muchas ocasiones se necesitan operaciones adicionales que permitan mejorar las características superficiales o las propiedades de los mismos.

7.5.1 Dimensionado y acuñado

Se realiza cuando las tolerancias dimensionales y/o las propiedades mecánicas obtenidas después de la sinterización no son del todo satisfactorias, o cuando se quiere mejorarlas. El dimensionado se efectúa cuando se pretende una mayor precisión dimensional, y se realiza a presiones moderadas de compactación. El acuñado sirve para mejorar las propiedades mecánicas, por tanto, se trata de aumentar la densidad aplicando elevadas presiones de compactación.

7.5.2 Impregnación y filtración

La porosidad de una pieza sinterizada aún es significativa, dependiendo de las características del polvo, la presión de compactación, la temperatura y el tiempo. A menudo, la densidad se mantiene intencionadamente baja con objeto de favorecer la presencia de poros interconectados. Tal es el caso de cojinetes, filtros, barreras acústicas, etc.

La impregnación consiste en la introducción de aceite, cera u otros lubricantes. La partes sinterizadas se introducen en el baño lubricante caliente a presión, o se trata al vacío, y éstos se mantienen en los poros por acción capilar, eliminándose la porosidad casi al completo. Los productos más comunes de este proceso son los rodamientos impregnados con aceites, los engranajes y componentes similares de maquinarias.

Puede producirse una clase totalmente diferente de material con la impregnación de metales de alta temperatura de fusión con metales de bajo punto de fusión. Es el caso de los aceros cementados, un compacto poroso de esqueleto de hierro con impregnación de cobre fundido. El producto tiene una resistencia, ductilidad y facilidad para mecanizado superior, y puede recubrirse con mayor facilidad.

La infiltración es una operación en la que se llenan los poros con un metal fundido, cuyo punto de fusión es menor que el de la pieza. El proceso supone calentar el metal de relleno en contacto con el metal sinterizado de forma que la acción de la capilaridad haga fluir el relleno dentro de los poros. La estructura resultante es relativamente no porosa y la parte infiltrada tiene una densidad más uniforma, así como una tenacidad y resistencia mejoradas. Una aplicación típica es la infiltración con cobre en el hierro sinterizado.

7.5.3 Tratamientos térmicos y acabados

Los compactos de polvos pueden ser tratados térmicamente y terminarse por métodos convencionales, aunque éstos no son tan efectivos, debido fundamentalmente a la estructura porosa que limita la conductividad del calor. Los poros son puntos de

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7.15

concentración de esfuerzos que no sólo limitan las cargas de servicio, sino que aumentan las cargas producidas por los gradientes térmicos durante el tratamiento térmico.

Los tratamientos incluyen la resinterización para estabilizar y homogeneizar, el recocido para suavizar tensiones, la refinación de grano para mejorar la ductilidad y el endurecimiento para aumentar la resistencia al desgaste.

En cuanto a los recubrimientos, se utilizan para proteger los componentes de la corrosión, mejorar su resistencia al desgaste y la fricción y aumentar las características de dureza y conductividad eléctrica, así como proporcionarles una determinada apariencia. A los componentes de alta densidad se les pueden aplicar operaciones convencionales, pero aquellos que tienen densidades menores puede ser necesaria la impregnación con cera o plásticos, a fin de cerrar los poros antes de aplicar el recubrimiento.

7.5.4 Mecanizado y unión

En ocasiones es necesario aplicar algún tipo de operación de mecanizado a las partes sinterizadas, a fin de generar características geométricas que no se han podido lograr en el prensado, tales como perforaciones u otros detalles. Asimismo, en los componentes sinterizados se realizan diferentes operaciones de unión para generar formas complejas, usando para ello los métodos usuales de soldadura.

7.6 APLICACIONES

Como ya se ha comentado anteriormente, la metalurgia de polvos ha permitido fabricar componentes de un alto valor e importancia industrial, debido principalmente a sus especiales aplicaciones. Algunos ejemplos son:

1.- Los elementos estructurales procedentes de metalurgia de polvos son competitivos respecto a los producidos convencionalmente porque sólo se utiliza la cantidad necesaria para la pieza terminada, y aunque el material de partida es más costoso, el ahorro que se produce en los pasos intermedios y las bajas pérdidas por desperdicio suelen compensarlo, particularmente en forma complejas. Tiene aplicaciones en la industria del automóvil, en fabricación de electrodomésticos, bombas, cojinetes, transmisiones, etc. También son importantes en la industria aeronáutica y aeroespacial, para discos de superaleación para turbinas o componentes de fuselajes hechos de aleaciones de titanio.

2.- Los cojinetes fabricados con este proceso combinan la resistencia a la carga y al desgaste de uno de los componentes con la función lubricante del otro. Ejemplo de ellos son los cojinetes de hierro o bronce impregnados de aceite, o los cojinetes rellenos de plástico.

3.- Los implantes quirúrgicos, como es el caso de rellenos de dientes con amalgamas dentales. Estos utilizan el sinterizado transitorio con fase líquida a temperatura ambiente, donde una aleación de Ag-Sn se amalgama con Hg, el cual se consume en la reacción.

4.- Algunos metales sólo se pueden producir por metalurgia de polvo, como es el caso del berilio o del tungsteno. Este último tiene un punto de fusión muy elevado y es muy

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7.16

difícil de fundir, por lo que se produce a partir de óxido de tungsteno que se reduce con hidrógeno. Posteriormente se comprime, presintetiza y sinteriza, obteniéndose un tungsteno dúctil, sobre el que se aplica operaciones de forjado en caliente, estirado y trefilado. Se obtiene un alambre dúctil de casi 0,2 mm de diámetro, con un resistencia de casi el doble a la del acero más duro, y se utiliza como filamento en las lámparas incandescentes.

5.- En instalaciones eléctricas, donde se requiere que los contactos sean buenos conductores y resistentes al desgaste, son muy apreciados el tungsteno, el molibdeno o el carburo de tungsteno (añadiéndoles Ag).

6.- En aplicaciones magnéticas, materiales como el Fe o el Fe-3Si son difíciles de mecanizar, pero se produce fácilmente la forma por metalurgia de polvos. Otro ejemplo es el de los imanes permanentes, los alnicos (mezcla de polvos Fe- Al- Ni- Co), que poseen mejores características que los producidos mediante fundición.

7.- Los aceros para herramientas fabricados por este tipo de procesos son herramientas de alta velocidad con una distribución de carburo mucho más fina, y el contenido de éste puede ser mayor que el encontrado en los aceros producidos convencionalmente. Por ello, la vida de la herramienta es mayor.

8.- Las herramientas, matrices y materiales resistentes al desgaste más significativos son los carburos cementados (material compuesto de matriz metálica) basados en el carburo de tungsteno (WC). Los polvos de WC se muelen con cobalto (Co), de forma que cada partícula se recubre del metal. Después del prensado, el sinterizado por fase líquida proporciona una densidad completa. A veces, la forma final puede obtenerse por esmerilado sobre un componente presintetizado, que luego se acaba sinterizándolo. Si se aumenta la proporción de Co, la dureza disminuye pero aumenta la ductilidad y la tenacidad. Se mejoran propiedades si se sustituye una pequeña parte de WC por TiC.