Estado del arte 15 Ana Rosa Escamilla Mena

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Estado del arte 2.
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ESTADO DEL ARTE
2.1. Introducción a la Pulvimetalurgia
Dentro de las variadas tecnologías para producir metales, la pulvimetalurgia es la más
diversa dentro de éstas. El atractivo mayor de la pulvimetalurgia (PM) es la habilidad de
fabricar piezas de formas complejas con excelentes tolerancias y de alta calidad
relativamente barato. Se parte de polvos metálicos con ciertas características como
tamaño, forma y empaquetamiento. Los pasos claves incluyen la compactación del polvo
y la subsiguiente unión termal de las partículas por medio de la sinterización. El proceso
utiliza operaciones automatizadas con un consumo relativamente bajo de energía y un
alto aprovechamiento de los materiales. Estas características hacen que la PM se
preocupe de la productividad, energía y materias primas. Consecuentemente, el área está
creciendo y reemplazando los métodos tradicionales de fabricar materiales. Además, la
PM es un proceso de manufactura flexible capaz de suministrar un rango amplio de
nuevos materiales, microestructuras y propiedades [4].
Las aplicaciones de la PM son bastante extensas. En general, su uso radica en piezas de
geometría complicada. Algunos ejemplos del uso de polvos metálicos: filamentos de
tungsteno para ampolletas, restauraciones dentales, rodamientos auto-lubricantes,
engranajes de transmisión de automóviles, contactos eléctricos, elementos de combustible
nuclear, implantes ortopédicos, filtros de alta temperatura, pilas recargables, y
componentes para aeronaves.
Algunos términos deberán entenderse antes de comenzar con la PM. Primero, un polvo
está definido como un sólido finamente dividido, de tamaño de partícula más pequeño
que 1mm. En muchos casos el polvo será metálico, aunque puede estar combinado con
otros elementos como cerámicos o polímeros. Una característica importante del polvo es
la relación alta entre el área de superficie y el volumen. Las partículas muestran un
comportamiento entre aquella del metal y de un líquido. Los polvos fluirán bajo el efecto
de la gravedad para llenar un molde o contenedor, por lo tanto en este caso se comporta
como un líquido. Son compresibles, pero la compresión del polvo metálico es
esencialmente irreversible, así como la deformación plástica de un metal. Por ende, los
polvos metálicos son fácilmente formados con el comportamiento deseable de un metal
luego de ser procesado [4].
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18 Estado del arte El proceso de PM supone un ahorro energético del 60% frente a los procesos de forja y
mecanizado. El número de etapas de fabricación necesarias se reduce a la mitad; además
de un ahorro considerable del material. Pero sólo es económicamente rentable en el caso
de grandes cantidades de pieza [5].
Los tres pasos primordiales del proceso de PM se ilustra en la tabla 1:
POLVOS
PROCESAR
PROPIEDADES
- microestructura
- química
- manejo
- forma
- tamaño
- fabricación
- molde
- extrusión
- sinterización
- forjar
- compactación
- densidad
- ductilidad
- maleabilidad
- dureza
- conductividad
- microestructura
Tabla 1: Flujo conceptual de la PM del polvo durante el proceso hasta el
producto final [6]
Primero se encuentra el área de los "POLVOS", donde se da énfasis a la fabricación,
clasificación, caracterización y manejo de los mismos. Posteriormente se trata el
muestreo, seguridad, empaquetamiento y transporte. Los tamaños y formas de los polvos
son importantes en el área de las tecnologías de polvos. Las actividades de consolidación
tradicional de polvos, “PROCESADO”, incluyen compactación y sinterización. Las
preocupaciones en esta etapa son la formación y densificación de los polvos. Finalmente,
el flujo termina en la comprensión de las “PROPIEDADES” finales, haciendo hincapié
en la microestructura del producto.
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2.2. Principios
Un “pro” que tiene este proceso entre los muchos que se enumeraran en un futuro, es que
se basa en unas operaciones automáticas. Con ello se puede desglosar muchos aspectos
positivos, como el alto aprovechamiento de los materiales, bajo costo, consumo de
energía operacional bajo, y además, al tratarse de un proceso automático, no hay fatiga
del operario a cargo ya que la máquina es la que hace el proceso. Esto lo hace un proceso
valorable para toda industria ya que tiene un alto índice de productividad, bajo consumo
energético y alto aprovechamiento de los materiales como se ha comentado anteriormente
[4].
2.3. Procesos para la producción de polvos
Existe una gran gama de procesos que conducen a la producción de polvos para metales.
Entre los más comunes y de los cuales la producción de polvos se lleva la gran mayoría,
están:
2.3.1. Reducción a Estado Sólido
Este es el proceso más común que se utiliza en la industria de metalurgia de los polvos.
Se trata de un método químico donde están implicados compuestos químicos; con mayor
frecuencia un óxido y otras veces haluros o sales de metal.
Un ejemplo de este caso es la reducción del óxido de hierro con carbono o de óxido de
wolframio con hidrógeno. Además de la reducción desde el estado sólido, también puede
ocurrir desde el estado gaseoso, como por ejemplo la reducción del tetracloruro de titanio
gaseoso con magnesio fundido, y desde una solución acuosa como la precipitación de
cobre a partir de una solución de sulfato de cobre con hierro.
2.3.2. Electroquímico
Este proceso es muy utilizado en la preparación de polvo de cobre, hierro y níquel. El
ajuste de las condiciones físicas y químicas durante la electrodeposición hacen posible la
deposición del metal en el cátodo en forma de escamas. Este método proporciona un
polvo metalúrgico de alta pureza y con excelentes propiedades para su procesado. Esta
técnica en algunos casos resulta más costosa que otras ya que implica el control y la
manipulación de muchas variables.
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20 Estado del arte 2.4.3. Atomización
La técnica de atomización está basada en el impacto de un fino haz de material fundido
contra un chorro fluido, gas o líquido, a elevada presión, de forma que al solidificarse el
material fundido, se obtiene polvo granulado. A parte de la reactividad química, la cual
puede necesitar materiales o una atmósfera determinada, el proceso es independiente de
las propiedades químicas y físicas asociadas con el material sólido. Es un método muy
flexible.
En principio la técnica es aplicable para todos los metales que se puedan fundir pero es
comercialmente utilizada para la producción de polvos de Hierro, Cobre, Aceros, Bronce,
Aluminio, Plomo y Zinc.
La atomización en estado líquido es la más común, en la cual el metal fundido se vierte a
través de un embudo refractario en una cámara de atomización, haciéndolo pasar por
chorros de agua pulverizada. El chorro de metal líquido estalla y forma minúsculas
partículas esféricas, éstas se solidifican rápidamente y se acumulan como polvo en la base
de la máquina de pulverización. El polvo de metal logrado tiene una forma relativamente
esférica y es uniforme en su composición química lo que facilita luego el proceso de
fabricación de los tubos deseados [7].
Además de estos tres procesos, hay varios que están obteniendo una creciente aceptación,
debido a sus aplicaciones. Los Procesos de Electrodo Rotatorio y Trituración Mecánica
son ejemplos representativos de estos métodos.
El primero de ellos, Electrodo Rotatorio, tiene la gran ventaja de que se puede ejecutar en
envases cerrados, con atmósfera controlada e inclusive en vacío, con esto se obtiene un
polvo muy puro y limpio, además permite trabajar con metales altamente reactivos.
El proceso de Trituración Mecánica tiene gran aplicabilidad en la producción de polvos
extremadamente finos. Esto se alcanza con la pulverización mecánica en un molino de
bolas. Para este proceso se acostumbra utilizar como materia prima metales que ya hayan
sido pulverizados. La finura de los polvos producidos por este método, ha representado
un incremento en su uso sobre todo para la fabricación de polvos para el moldeo por
inyección.
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2.4. Características de los polvos
Los futuros procesos y el resultado final alcanzado después del sinterizado están
altamente ligados con las características del polvo tales como: tamaño de las partículas,
forma de las partículas, estructura y condición de la superficie. Una de las propiedades
más importantes de los polvos es la densidad aparente (relación entre el peso específico
de un material y el volumen, incluyendo huecos y poros que contenga); esto se debe a
que la dureza alcanzada en el compactado depende directamente de la densidad
aparente. A su vez esta característica depende de la forma y de la porosidad promedio
de las partículas.
Una vez se tiene el polvo, empieza el proceso de fabricación de la pieza deseada. Este
proceso está compuesto básicamente por tres etapas: la mezcla, el compactado y la
sinterización. Cada una de estas etapas contribuye en las características finales de la
pieza. A continuación se explicará con detalle cada una de ellas [8].
2.4.1. La mezcla
En esta etapa de mezclado se debe alcanzar una homogeneidad de los materiales que
conformarán la pieza, posteriormente se añade algún lubricante que busca como función
esencial reducir los índices de fricciones entre el polvo metálico y las superficies de las
herramientas que se utilizan en el proceso.
El lubricante debe ser vertido en la etapa de compactación con el fin de conseguir una
densidad uniforme en todo el compacto. El reducir la fricción entre los componentes es
importante ya que ayuda a la eyección de él en el compactado, así se evita que se
formen grietas. Hay que tener en cuenta la elección del lubricante que se utilizará,
debido a que una mala elección puede ser significado de malos efectos que resulten
perjudiciales en dureza en el material durante el compactado.
2.4.2. El compactado
La mezcla es introducida en un molde de acero o carburo rígido y presionado para
obtener la forma deseada. La presión a la cual se somete la mezcla durante esta etapa
está entre 150-900MPa. La mezcla debe ser presionada lo suficiente para que soporte la
fuerza de la eyección del molde. El compactado es una etapa muy importante ya que la
forma y las propiedades mecánicas finales de la pieza están fuertemente relacionadas
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22 Estado del arte con la densidad al presionar. Debido a que los polvos metálicos bajo presión no se
comportan como líquidos, la presión no es transmitida uniformemente por el molde y
hay virtualmente cero flujo lateral. Por esto, la obtención de buenas densidades en la
pieza depende en un alto grado de:
•
Relación entre longitud y ancho. La presión aplicada y por ende la densidad
decrece a lo largo de la pieza. La compactación de doble lado (se aplica presión
por los dos lados de la mezcla) mejora la distribución de la presión pero sigue
dejando una región en la mitad de la pieza con menos densidad. Por este motivo,
relaciones entre largo y ancho de piezas superiores a 3:1 no son recomendadas.
•
Se deben omitir cambios bruscos en las secciones, debido a que puede llevar a
fracturas en la pieza.
•
La fricción entre los granos del polvo y las paredes del molde reduce
progresivamente la transmisión de presión y por lo tanto la densidad obtenida a
lo largo de la pieza. Estos efectos se pueden minimizar con la ayuda de buenos
lubricantes.
•
La curva Densidad vs. Presión aplicada sigue una relación hiperbólica. Por esta
relación se debe buscar la presión a la que la densidad es óptima ya que una
mayor presión presentaría un efecto negativo en la densidad.
El compactado del polvo a temperaturas normales y sin un ambiente controlado es muy
útil, por su bajo costo, para la fabricación de muchas piezas; sin embargo, tiene grandes
limitaciones en materia de la densidad del compacto. Por esta razón se han desarrollado
varios métodos que mejoran ésta y otras propiedades del compacto.
2.4.3. Compactado semi-caliente
Este tipo de compactación permite aumentar la densidad del compacto de manera
favorable con un costo extra muy bajo. Este método utiliza todo el procedimiento
convencional de conformado por polvos. Lo único que requiere es que al proceso, es
decir, al molde con mezcla y toda herramienta utilizada sea calentada a una temperatura
entre 135-225ºC.
Con este método se aumenta la resistencia en un 10% en comparación con el proceso
normal [9].
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2.4.5. Prensado en caliente
Se requiere el uso de moldes especiales para su utilización y una atmósfera controlada.
Es usada para la producción de metales duros y herramientas de corte hechas con
diamante [9].
En el prensado en caliente, el prensado de polvo (compactación) y el tratamiento
térmico (sinterización) se realizan simultáneamente. El agregado de polvo es
compactado a una temperatura elevada. El procedimiento se utiliza en el caso de
materiales que no forman una fase líquida excepto a temperaturas muy altas e
impracticables; además, se utiliza cuando se quieren conseguir densidades muy altas sin
que exista apreciable crecimiento de grano. Es un método caro de fabricación que tiene
algunas limitaciones. Es caro en términos de tiempo, puesto que tanto el molde como la
matriz deben ser calentados y enfriados en cada ciclo. Además, el molde es
normalmente caro de fabricar y tiene una vida corta [10].
2.5. La Sinterización
Esta etapa de sinterizado es esencial para el proceso de Pulvimetalurgia, pues es en la
sinterización donde las piezas adquieren propiedades tales como fuerza y/o resistencia
para la función predeterminada para la que fueron fabricadas. Este término tiene
literalmente la siguiente definición:
“Es el tratamiento térmico de un polvo compactado a una temperatura inferior a la
temperatura de fusión de la base que tiene la mezcla. Busca esencialmente incrementar
los valores de fuerza y resistencia de la pieza creando enlaces moleculares fuertes”.
Para describir este proceso sin basarse en la parte técnica y química, sólo queda por
decir que ocurre una difusión atómica de las partículas y las partes que se unen en el
proceso de compactación se fortalecen y crecen hasta formar una pieza homogénea.
Al hacer un proceso de re-cristalización se busca que la porosidad en el material
decrezca. Esto se logra con una atmósfera controlada y a temperaturas de entre un 60%
y un 90% de la temperatura de fusión.
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24 Estado del arte Se debe llevar por lo tanto un control sobre el tiempo de calentamiento, temperatura y
atmósfera para obtener los resultados que son requeridos. Una herramienta necesaria
para lograr una buena temperatura o más bien un buen proceso de sinterización, es por
medio de un horno eléctrico y con ello se incrementa la resistencia de las piezas.
Las atmósferas controladas son una parte esencial en casi cualquier proceso de
sinterización ya que previenen la oxidación y otras reacciones que no convienen al
proceso. Algunas de las atmósferas más usadas son las compuestas por hidrógeno seco
o con hidrocarburos sometidos parcialmente a la combustión. Si se requieren usos más
especiales y que puedan soportar el incremento en el costo de la atmosfera, se pueden
utilizar las llamadas atmósferas sintéticas. Estos tipos de atmósferas tienen las ventajas
de ser mucho más limpias, tener mayor adherencia al material sinterizado y un nivel
muy bajo de vapor de agua [8].
Hay diferentes tipos de sinterizado que se pueden aplicar según sea el caso, ya sea que
se requiere bajar costo, aumentar propiedades de la pieza, trabajar con un material
especial, etc. A continuación se describe el sinterizado a vacío, que es el más empleado.
2.5.1
Sinterización a vacío
Este tipo de sinterizado es un tipo especial de proceso con una atmósfera controlada y
desde el punto de vista científico es mejor que otros existentes. Una de las dificultades
es mantener el proceso de “vacío” en el sistema. Es usado para todo tipo de materiales
como aceros y metales de alta aleación.
En algunos casos es necesario hacer operaciones post-sinterizado, ya sea por pérdida o
aumento de tolerancias dimensionales o porque el uso de la pieza requiere un
tratamiento adicional. Algunas de estas operaciones post-sinterizado son:
Ø Re-Compactado: Tiene que ver con el hecho de que las piezas sufren
cambios dimensionales en el sinterizado. Para contrarrestar este efecto negativo y
en algunos casos para incrementar la densidad de la pieza, se utiliza el Recompactado. Como su nombre indica, consta de volver a compactar la pieza,
devolver sus dimensiones iniciales aumentando la densidad aunque muy poco.
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En algunos casos también se puede utilizar el Re-compactado en caliente, dándole
así más densidad, lo que mejora sus propiedades mecánicas, aunque el problema
radica en que el control en las dimensiones no es bueno.
Ø Infiltración: Es un método para mejorar la resistencia de materiales
porosos que consiste en llenar los poros que queden con algún metal líquido que
tenga un punto de fusión menor al metal. No necesita ejercer presión en los poros.
Se utiliza, entre otros usos, para producir materiales compuestos con propiedades
eléctricas especiales como Wolframio/Cobre y Molibdeno/Plata.
Ø Impregnación: Este término es análogo al de infiltración pero en vez de
llenar los poros con materiales metálicos, se utilizan materiales orgánicos.
Ø Tratamientos Térmicos: Se trata de variar la temperatura del material pero
sin variar la composición química. Su objetivo es mejorar las propiedades de los
metales y aleaciones, por lo general, de tipo mecánico. En ocasiones se utiliza este
tipo de tratamientos para posteriormente, conformar el material. Un ejemplo de
ello es endurecerlo [11].
2.6. Producción y caracterización de los polvos
El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan a las características de las piezas
que se deben producir. La morfología y el tamaño de partícula son las características más
importantes de un polvo de metal, además, están íntimamente ligadas, puesto que se debe
conocer la morfología de la partícula para elegir el método adecuado para medir su
tamaño. Tienen especiales características en:
1.
Forma: tiene relevancia en la génesis del polvo y forma del mismo que
dependerá de cómo se produjo. Puede ser esférica, quebrada, dendrítica,
plana o angular.
2.
Finura: se refiere al tamaño de la partícula, y se mide por medio de tamiz,
mallas normalizadas o mediante mastersizer (difracción laser).
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26 Estado del arte 3.
Distribución del tamaño de partículas: se refiere a las diferentes cantidades
de los tamaños de las partículas que participan en la composición de una
pieza fabricada a base de polvo de metales. Su influencia radica en la
fluidez y densidad de las partículas y porosidad final del producto.
4.
Fluidez: es una propiedad que permite el manejo del polvo de un molde a
otro con facilidad.
También es posible rescatar de este proceso de Pulvimetalurgia propiedades químicas en
el proceso. Esto puede yacer en la compresibilidad, en la cual se da la relación entre
volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la pieza ya comprimida [9].
Existen diversas formas de producir polvos metalúrgicos que dependerán de las
características que se les quiera conferir, ya sea de la forma física o química en los
metales que se utilizarán:
•
Con maquinado en el polvo es posible producir partículas gruesas.
•
Con triturado se logra triturar el material con molinos rotatorios de rodillos
y por estampados rompiendo así los metales. Por este modo los materiales
que son frágiles son reducidos a partículas irregulares de cualquier grado de
finura [9].
2.7. Breve historia
Los primeros usos de polvos metálicos se han rastreado desde varios lugares. Por
ejemplo, polvos de oro se fusionaron para joyas por los Incas, y los Egipcios utilizaron
polvos de acero en el año 3000 AC. Otro ejemplo de uso temprano es la Columna de
Delhi en la India que data al año 300 DC. Esta columna fue hecha de 6,5 toneladas de
acero polvo. Durante el siglo XIX el uso de técnicas de pulvimetalurgia comenzó su uso
industrial. La necesidad de aparatos de platino de laboratorio llevaron al desarrollo de
precipitación química de polvos y nuevas rutas de consolidación sin el uso de elevadas
temperaturas.
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Más reciente, la principal razón de seleccionar una ruta de PM está asociada con la
mejora de la calidad, homogeneidad o propiedades en conjunto de costo atractivo y
productividad. Las superaleaciones de altas temperaturas de níquel, la dureza específica
de aleaciones de aluminio para aeronaves y los compuestos de aluminio con expansión
termal controlado son algunos buenos ejemplos de esta evolución. No solo podrán ser
fabricados con una mejor economía de material por medio de polvos, sino también por
nuevas y mejores composiciones que están siendo desarrolladas aprovechando así el
control químico y la microestructura. La expansión de los procesos de PM en las áreas
que requieren materiales de alta calidad y propiedades únicas, crearán más oportunidades
para el futuro [12].
2.8. Futuro de la Pulvimetalurgia
Los éxitos de la PM del pasado se han atribuido a los beneficios económicos. Una
comparación relativa de las cantidades de producción de polvos se indica en la tabla 2.
Más recientemente, los materiales exclusivos y difíciles de procesar han contribuido a la
expansión de la tecnología de la PM. Hay seis ingredientes necesarios para lograr un
crecimiento continuo:
1. Alto volumen de producción de piezas estructurales precisas de alta calidad.
2. Consolidación de materiales de alto desempeño, donde la densidad total y
confiabilidad son las preocupaciones primordiales.
3. Fabricación de materiales difíciles de procesar, donde aleaciones de alto
desempeño totalmente densas puedan ser fabricadas con microestructuras
uniformes.
4. Consolidación económica de aleaciones especiales, típicamente compuestos
que contienen fases mixtas.
5. Sinterización de materiales no equilibrados como amorfos, microcristales o
aleaciones metaestables.
6. Procesamiento de piezas complejas con ingredientes exclusivos o formas poco
comunes.
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28 Estado del arte Tabla 2: Comparación de la producción relativa para algunos de los polvos metálicos
más comunes
La Pulvimetalurgia está creciendo día a día. El uso de polvos metálicos continúa
expandiéndose. Además, la necesidad de personal calificado está creciendo más rápido
dada la diversidad y dificultad de las aplicaciones que están siendo desarrolladas. Está
claro que a medida que los conocimientos de esta materia aumentan, aparecen más
aplicaciones para la PM. La mayoría de los usos actuales se basan en la economía de los
procesos. El futuro promete más desafíos con la combinación de ahorrar costos y ciertos
factores como la confiabilidad, calidad, dureza, control de dimensión y la capacidad de
formar piezas exclusivas. La apreciación abierta de estas ventajas proveerá oportunidades
de crecimiento económico y tecnológico. Investigaciones del uso de polvos metálicos
ofrecen esperanza para aplicaciones aún más diversas, incluyendo aleaciones magnéticas
de alta solidificación, aleaciones nuevas para aeronaves y estructuras de alta dureza
involucrando microestructuras a escalas muy pequeñas [12].
El presente trabajo, tiene como prioridad producir, mediante un nuevo sistema de
procesado, una pieza a la vez, con presiones mayores, hasta 150MPa, a lo alcanzado
anteriormente con el grafito prensado, el cual tiene una limitación de 100MPa. El nuevo
sistema RSP mencionado en el primer apartado, abre nuevas puertas para producir de
manera más rápida productos con unas características especiales.
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