METALURGIA DE POLVOSPresentado por:

CASTAO LINA MARCELA, Cd.: 0623654.

ZEMANATE ANA MARIA, Cd.: 0746919.

Profesor:

Ing. ARTURO JURADOUNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA DE MATERIALES

PROCESOS DE MATERIALES ISANTIAGO DE CALI

DICIEMBRE DE 2010

INTRODUCCINLa pulvimetalurgia o metalurgia de polvos como su nombre lo dice, consiste en producir polvos metlicos para utilizarlos en la fabricacin de otros elementos. Los componentes manufacturados con este mtodo poseen alta resistencia, ductilidad y tenacidad, entre otras propiedades.La primera investigacin cientfica de la metalurgia de polvos estuvo a cargo de Woolaston en 1829, quien aport estudios en la produccin de platino compacto a partir de polvo con esponja de platino, lo cual estableci un avance para el desarrollo de las primeras tcnicas modernas de la poca.Ya en el siglo XX, fue Coolidge quin se encargo de realizar trabajos con polvo de tungsteno y realizando mejoras a las propiedades del mismo, consigui un nuevo mtodo para la fabricacin de metales refractarios como: molibdeno, tantalio y columbio. Tambin por esta misma poca se logro a travs de la metalurgia de polvos manufacturar cojinetes de metal poroso.Inicialmente las piezas fabricadas a travs del mtodo de la metalurgia de polvos (MP), eran pequeas y las propiedades mecnicas eran similares a los materiales convencionales, pero hoy da ya pueden encontrarse piezas grandes y con propiedades mecnicas muy superiores a la de los materiales convenciones, debido a la mejora que se le implemento a los polvos metlicos a travs de procedimientos como tratamientos trmicos, aumento de densidades y estudio de las composiciones del polvo.Objetivos Reconocer la importancia de la metalurgia de polvos en la industria. Entender el proceso de preparacin de los polvos metlicos. Conocer las aplicaciones y propiedades de los polvos metlicosDESARROLLO TEMTICO

El procesamiento del metal en polvo requiere de dos operaciones fundamentales que se conocen como compactado y sinterizado.El compactado consiste en realizar un aglomerado con mezclas de polvos que se han preparado con antelacin, ya sea a temperaturas normales o elevadas; el aglomerado producto de la compactacin suele presentar un color verde.El sinterizado es el encargado de conferir resistencia mecnica y consiste en someter los aglomerados de color verde al calor en una atmsfera inerte y con una temperatura inferior al punto de fusin del metal slido.

La preparacin y obtencin de los polvos de metal, requiere de tres mtodos muy importantes que son: atomizacin, reduccin de xidos y la depositacin electroltica. La atomizacin es un mtodo que se utiliza mucho en metales con bajo punto de fusin (aluminio, zinc, cadmio y plomo) y consiste en que el metal lquido se fuerza a travs de un pequeo orificio, mientras que una corriente de aire comprimido hace que el metal se desintegre y solidifique en partculas finas divididas, un elemento atomizado suele estar en forma de partculas esfricas, como puede observarse en la siguiente figura:

Pueden obtenerse diferentes tamaos de partculas, variando condiciones como temperatura del metal, presin, flujo del orificio, etc.Una de las principales ventajas de la atomizacin es la flexibilidad, ya que permite obtener polvos de diferentes estilos de finura y de manera uniforme.

La reduccin de xidos es un mtodo conveniente, econmico y flexible para hacer polvos; consiste en reducir con monxido de carbono o hidrgeno, xidos qumicamente producidos para reducir el polvo y posteriormente esmerilarlo. Las partculas producidas por este mtodo son de estructura tipo esponja, de forma irregular, fciles de moldear y son partculas porosas como se puede observar en la figura:

Con este mtodo se producen polvos de hierro, nquel, cobalto y cobre. Tambin es un mtodo que permite la produccin de polvos de metales refractarios como molibdeno y tungsteno.El mtodo de depositacin electroltica es muy utilizado para la fabricacin de polvos altamente puros, entre los que estn el cobre y el hierro. En ocasiones este mtodo tambin es conocido como electrodepositacin, consiste en depositar el polvo directamente del electrlito, esto mediante unas condiciones adecuadas de densidad de corriente, temperatura y correcta seleccin del electrlito. El depsito puede ser una sustancia suave y esponjosa hasta obtener un polvo o puede ser un metal duro y frgil, los polvos obtenidos por este ltimo tipo de metal, no son adecuados para el moldeo. De acuerdo a la figura No. 3 que se muestra a continuacin, la forma del polvo obtenido por depositacin electroltica puede ser dendrtica; esta estructura tiende a dar buenas propiedades al moldeo.

Las caractersticas de los polvos de metal y de los productos terminados a base de estos, son muy dependientes de las caractersticas bsicas del material del polvo, entre las ms importantes estn: la composicin qumica, densidad aparente, pureza, el tamao, microestructura, forma y distribucin de partcula.Los polvos metlicos pueden subdividirse en tamao de tamiz y subtamiz. Los que pertenecen a la clase tamiz, deben pasar por una malla nmero 200; mientras que los polvos que pertenecen a la clase de subtamiz, pasan por una malla nmero 325.

Una caracterstica relevante los polvos metlicos es la distribucin del tamao de partcula, ya que dicho tamao influir en el comportamiento durante el moldeado y sinterizado. En sntesis, es preferible un polvo ms fino ya que stos tienen menores tamaos de poros y mayores reas de contacto, lo que permite mejoras en las propiedades fsicas despus de sinterizar; por el contrario un polvo muy grueso hace muy complejo el procesamiento.

Otra importantsima caracterstica es la naturaleza de la superficie de las partculas individuales, ya que el carcter de la superficie influye en las fuerzas de friccin entre las partculas, lo cual es importante cuando el polvo fluye y se deposita para la compactacin. Los polvos de la figura 2 que son de reduccin de xidos, tiene una superficie muy spera; en tanto que los polvos de la figura 1 de atomizacin, tienen una superficie de aspereza mucho ms fina.

Al hablar de empaquetamiento y flujo del polvo, una caracterstica relacional es la forma de la partcula. Dicha forma de partcula es importante porque si la partcula es esfrica, posee grandes afinidades al sinterizado y a la uniformidad del producto final; aunque se ha descubierto que las partculas con formas irregulares pueden presentar superioridad para el moldeo prctico. Cabe mencionar para esta caracterstica que el empaquetamiento consta de tres procesos: llenado de espacios de partculas grandes por partculas pequeas (empaquetamiento intersticial), rompimiento de puentes, rotacin mutua de partculas. Una accin esencial de la metalurgia de polvos, es un buen mezclamiento; ya que la uniformidad del producto terminado depende de la correcta combinacin y mezclamiento de los polvos a trabajar.Para lograr una cantidad de porosidad deseada, se deben agregar una buena combinacin de polvos de aleacin, agentes de volatilizacin y lubricantes; realizando un correcto mezclamiento. El tiempo de mezclado puede variar de minutos a varios das, dependiendo del producto final que se pretenda obtener.

Como se mencion al inicio, el compactado hace parte de uno de los procesos ms importantes de la metalurgia de polvos, ahora se va a definir de manera ms especfica los tipos de compactados que existen.El propsito del compactado es comprimir el polvo tan cerca como sea posible a las dimensiones finales y tambin pretende proporcionar el tipo de porosidad deseado y resistencia a la manipulacin. Generalmente el compactado se hace en fro, aunque hay algunas aplicaciones en las que los comprimidos se trabajan en caliente.

Las tcnicas de compactado se dividen en dos tipos: Tcnicas de presin:

Compactado por troquel: Es un mtodo de compactado muy utilizado, consiste en llenar la cavidad del troquel con un volumen definido de polvo; la aplicacin de la presin requerida mediante el movimiento de punzones superior e inferior uno hacia el otro y la expulsin del comprimido verde por el accionar del punzn inferior (Figura 6).

Las caractersticas de las prensas mecnicas o hidrulicas que permiten realizar compactacin son alta velocidad de produccin, flexibilidad en el diseo, economa de operacin y costos de inversin, etc.Las prensas ms utilizadas son uniaxiales, en la que la presin se aplica al polvo en una sola direccin. Mediante compactacin uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados precisos, obtenindose una alta productividad en la industria mediante esta tcnica. Un inconveniente de la compactacin uniaxial es la baja relacin longitud/dimetro que puede obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la pieza y las zonas ms prximas al punzn. Compactado isosttico: Este es un mtodo que se ha utilizado mayormente en materiales cermicos, consiste en aplicar igual presin en todas las direcciones y colocar el polvo en un molde de hule para posteriormente sumergirlo en un bao lquido dentro de un recipiente de presin, se obtienen propiedades mecnicas y densidades muy uniformes, debido a la aplicacin tambin uniforme de la presin. Tcnicas de forja y de extrusin: Esta es otra tcnica en la que por lo general las piezas no requieren sinterizado. Se trata de enlatar el polvo para realizarle calentamiento y luego forjar o extraer; despus de realizar alguna de estas ltimas acciones el recipiente se elimina mecnica o qumicamente. Finalmente, se obtienen comprimidos de densidad muy alta. La figura No. 7 es un ejemplo de este tipo de tcnica.

Compactado vibratorio: Consiste en aplicar presin y vibracin al mismo tiempo a una masa de polvo introducida en un troquel, permitiendo utilizar presiones muy bajas y logrando un buen nivel de densificacin. Compactado continuo: Las tcnicas comerciales consisten en el flujo de polvo suelto entre un conjunto de rodillos verticalmente orientados, este compactado se utiliza en elementos como tubos, varillas, lminas, etc. Tcnicas sin presin

Proceso de deslizamiento: Es un mtodo utilizado muy poco en materiales metlicos y mucho ms en materiales cermicos. Consiste en crear un artefacto, denominado patn, que contiene el polvo suspendido en lquido y aditivos que evitan el asentamiento de partculas, posteriormente el patn se introduce en un molde que da forma a la pieza, hecho de material absorbente de fluidos. Finalmente, la pieza se saca del molde, se seca y sinteriza. Cuando hay altos volmenes de produccin, est tcnica es inadecuada, ya que requiere mucho tiempo de ejecucin.

Compactado por gravedad: Se utiliza un troquel de una material inerte como grafito, para introducir en l, el polvo suelto que luego se sinteriza. Debido a que no hay presin, las piezas son un poco porosas. Compactado continuo sin presin: La aplicacin del polvo se realiza en forma de suspensin, parecido al proceso de deslizamiento; dicha suspensin se revierte sobre una lmina slida o una rejilla de metal, para producir materiales poco comunes. Una aplicacin de este tipo de compactado es la produccin de lminas porosas para bateras recargables de Nquel-Cadmio.Cabe resaltar que una de las propiedades ms importantes del compactado es la densidad del comprimido verde; ya que esta no solo indica la efectividad del compactado, sino tambin el comportamiento del material al posterior sinterizado.El sinterizado como tambin se mencion al inicio de esta lectura como otra de las operaciones fundamentales de la metalurgia de polvos; se efecta a una temperatura generalmente inferior a la del constituyente de ms alto punto de fusin. En algunos casos la temperatura es suficiente para formar constituyentes lquidos y en otros casos, no es necesaria la fusin de los constituyentes.El horno elctrico por su uniformidad de temperatura, suele ser ms adecuado para realizar el sinterizado. En general, los hornos son continuos con tres cmaras: cmara de purga, cmara de alta temperatura y cmara de enfriamiento.

Es este proceso debe evitarse la formacin de xidos, ya que estos dificultan el enlace entre partculas; una forma de solucionar esto es utilizar atmsferas protectoras, se utilizan atmsferas secas de hidrgeno para sinterizado de carburos refractarios.El sinterizado se encarga del enlace de cuerpos slidos por fuerzas atmicas, un aumento de tiempo y temperatura favorece las buenas condiciones del sinterizado, ya que estas condiciones harn mayores enlaces entre partculas y mayor resistencia tensil.El proceso de sinterizado empieza con el enlace entre partculas conforme el material se calienta. El enlace incluye la difusin de tomos donde hay contacto ntimo entre partculas adyacentes que dan lugar al desarrollo de fronteras de grano. Esta etapa origina un incremento en resistencia y dureza, an despus de breves exposiciones a elevada temperatura. Durante la siguiente etapa, las reas de enlace recientemente formadas llamadas cuellos, crecen en tamao, seguidas por un redondeamiento de los poros. La anterior explicacin puede observarse en la figura No. 8.

Otro tipo de proceso que aunque se utiliza muy poco en la pulvimetalurgia, debido a su alto costo, es el presionado en caliente; el cual consiste en aplicar los dos mtodos anteriores al mismo tiempo, es decir realizar compactado y sinterizado en una sola operacin, generando mayores densidades y producciones ms grandes, adems de mayores resistencias, dureza, elongacin y densidad.En el procesamiento de polvos metlicos pueden ser necesarias algunas operaciones suplementarias como son: presionado final de represin, presintetizado y resinterizado.El presionado final de represin, es una operacin de trabajado en fro que se realiza posterior a la sinterizacin y se hace con el fin de condensar el comprimido sinterizado.

El presintetizado consiste en interrumpir el calentamiento de sinterizado en una temperatura intermedia, para que el compactado pueda manipularse y mecanizarse sin dificultad.

El resinterizado se hace con el fin de lograr un incremento en las propiedades mecnicas. A pesar del incremento en resistencia, del resinterizado puede resultar un gran tamao de grano.Otra operacin suplementaria que puede utilizarse despus de sinterizar es la Impregnacin para penetrar en la red porosa del material, bien con aceite, caso de los cojinetes, o bien con metal fundido cuando no se desee que el material sea poroso.

Para completar la manufactura de las piezas fabricadas con polvos de metal, se pueden realizar diversas operaciones como maquinado, cizallamiento, escariado, pulido, enderezamiento, esmerilado, entre otras.

Las aplicaciones de los polvos metlicos hacen de ste un mtodo muy utilizado en la industria. Las tcnicas de la metalurgia de polvos se utilizan para producir metales refractarios, metales compuestos, metales porosos y combinaciones de metal-no metal. Adems este tipo de metalurgia representa un mtodo muy prctico de producir molibdeno, tantalio y otros metales del mismo grupo.Uno de los usos ms importantes es la combinacin de materiales duros en una matriz metlica, lo cual genera productos de carburos cementados.Las combinaciones metal-no metal han tenido amplia utilizacin en la manufactura de diversos materiales de friccin, como revestimientos para embrague, zapatas para freno. Las combinaciones cobre-grafito se utilizan como escobillas colectoras de corriente y en cojinetes de bronce poroso y hierro.

La metalurgia de polvos es muy til para aleaciones de metales no solubles en estado lquido.

La porosidad controlada de las piezas de polvo de metal ha originado la produccin de cojinetes, engranes y filtros porosos Las tcnicas de la metalurgia de polvos, resultan en una manufactura ms econmica de las piezas. Donde las condiciones de carga no son severas, los engranajes pequeos, levas, palancas, catarinas y otras piezas de hierro, acero, latn o bronce pueden moldearse a partir de polvos, para reducir o eliminar completamente el alto costo y el tiempo de maquinado.

Los imanes de Alnico (hechos de aluminio, nquel, cobalto y hiero) pueden hacerse de polvos. Estos imanes pueden moldearse de los polvos directamente al tamao y forma final y sus dimensiones mantener aceptables tolerancias durante el sinterizado. Adems, un tamao de grano ms fino y una resistencia mecnica mayor se obtiene en los imanes sinterizados. En la siguiente imagen pueden verse algunos ejemplos de imanes de Alnico (figura No. 9).

Fig. 9 Imanes de Alnico. (Tomado de: http://images.google.com.co)FABRICACION DE PRODUCTOS CON METALURGIA DE POLVOS

ACERO SISA-METSISA-MET 3 es un tipo de acero para herramientas para trabajo en fro, ultra tenaz, hecho de Metalurgia en polvo. Est diseado para proporcionar una mxima resistencia a la fractura es un acero de alta resistencia al desgaste. El acero SISA-MET 3 tiene una resistencia al impacto superior a los diferentes tipos de aceros como el (A2, D2, SISA-CR8 o SISA-MET M4) acercndose a los niveles del acero S7 y otros grados resistentes al choque. Al mismo tiempo proporciona una excelente resistencia al desgaste, alta dureza y estabilidad trmica para recubrimientos superficiales. Puede reemplazar aceros para herramienta de alta aleacin en aplicaciones de desgaste en donde se encuentran problemas crnicos de fractura.La fabricacin del acero SISA-MET utilizando la metalurgia en polvo produce un acero muy homogneo y de calidad superior caracterizado por su alta tenacidad, buena estabilidad dimensional durante el tratamiento trmico y rectificabilidad superiores a las de los aceros producidos por medio de procesos convencionales.

Fig. 10. Acero convencional Fig.11 Acero Sisa-Met (Tomado de Articulo pdf)En la figura 11 se observa el alto grado de homogeneidad del acero utilizando la metalurgia en polvos esto le da mayor resistencia y mejores propiedades mecnicas.Para la produccin de polvos metlicos del acero Sisa-Met se siguen los siguientes pasos:

Aplicaciones Importantes de este tipo de acero

Matrices y Punzones

Dados de Troquelado y Perforado Rodillos

Dados Cabeceadores en Fro Cuchillas, Slitters

Compactacin de Polvo Cizallas

Cuchillas para Corte de Chatarra

Husillos y Puntas para Inyeccin de PlsticoEstampado y formado

CONCLUSIONES La metalurgia de polvos, es un proceso que puede considerarse un arte, ya que cosiste en fabricacin de elementos o piezas, a travs de polvos metlicos muy finos.

El proceso de obtencin de un polvo metlico abarca la atomizacin, la reduccin de xidos y la depositacin electroltica.

Posteriormente el polvo debe pasar por dos procesos fundamentes de produccin que se denominan compactado y sinterizado; en el primero se compactan o presionan dichos polvos para darle una forma determinada y en el segundo de los casos se busca calentar en una atmsfera controlada para obtener la pieza final. El compactado consta de dos tcnicas fundamentales: La primera es la tcnica de presin, que a su vez se subdivide en; compactado por troquel, compactado isosttico, tcnicas de formado de alta energa y rapidez, tcnicas de forja y de extrusin, compactado vibratorio y compactado continuo. La segunda es la denominada tcnica sin presin, que a su vez se subdivide en; proceso de deslizamiento, compactado por gravedad, compactado continuo sin presin. Las caractersticas ms representativas de los polvos metlicos son la distribucin del tamao de partcula, el empaquetamiento, la forma de la partcula y su micro estructura.

Finalmente, es importante resaltar que la metalurgia de polvos ha sido un gran aporte en la industria, para la mejora e implementacin de procesos. Algunas de las aplicaciones ms importantes de polvos metlicos son: piezas para motores de polo, bandas para proyectiles de impulso, adaptadores para enchufe, engranes para bombas de aceite, palancas, levas, piezas en general a exposicin marina, entre otras.BIBLIOGRAFIA

AVNER Sydney, Introduccin a la metalurgia fsica, 2da Edicin. MET%203%20de%20Metalurgia%20en%20Polvo%20(PM).pdf

Fig. 1 Forma de polvos producidos por el mtodo de Atomizacin

Fig. 2 Forma de polvos producidos por el mtodo de Reduccin de xidos.

Fig. 3 Forma de polvos producidos por el mtodo de Depositacin Electroltica.

Fig. 4 Ejemplo de empaquetamiento intersticial.

Fig. 5 Modelo del efecto formacin de puentes.

Fig. 6 Esquema del Compactado por troquel para formar piezas en polvo.

Fig. 7 Mtodo de extrusin de alambres y varillas a partir del metal en polvo.

Fig. 8 Esquema de un modelo de tres esferas de sinterizacin: a) puntos originales de contacto, b) crecimiento de cuello, c) y d) redondeamiento del poro.

1 paso: Mezcla

Se hace la mezcla en polvo de los diferentes aleantes como son V, Cr, C y Mo.

2 paso: Compactacin

Se hace la compactacin por medio de compactacin por gravedad para garantizar una homogeneidad.

3. paso: Sinterizacion

Proceso de Fabricacin Acero Sisa-Met

AVNER Sydney, Introduccin a la metalurgia fsica, 2da Edicin.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Pulvimetalurgia#Sinterizado

AVNER Sydney, Introduccin a la metalurgia fsica, 2da Edicin.

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