Pulvimetalurgia

La pulvimetalurgia es un proceso de fabricación que consiste en compactar polvos metálicos finos y sinterizarlos para obtener una pieza con una forma determinada.

Ventajas

• Ahorro de costos en comparación con procesos alternativos
• Buenas tolerancias dimensionales
• Bajo costo de las herramientas
• Buena definición de las piezas conformadas
• Alta velocidad de producción
• Atributos únicos alcanzables solo por la ruta PM (control de las propiedades finales de la pieza)

Proceso Pulvimetalúrgico (PM)

1. Mezclar el o los metales en polvo con lubricante adecuado
2. Cargar la mezcla en una matriz o molde y aplicar presión. Esto da como resultado lo que se llama un compacto (cuerpos verdes)
3. Calentar el compacto, usualmente en una atmósfera protectora, a una temperatura por debajo del punto de fusión del constituyente principal.

Compactación en Caliente

La compactación se hace a una temperatura elevada tal que la sinterización ocurre durante el proceso.

Fabricación de Polvos

• Pulverización del metal sólido
• Precipitación a partir de una sal en solución
• Reducción de un compuesto en estado sólido, usualmente el óxido
• Electrodeposición
• Atomización del metal fundido

Fabricación de Polvo por Reducción en Estado Sólido

El mineral seleccionado se tritura, se mezcla con carbón y se pasa a través de un horno continuo. Los tratamientos posteriores incluyen trituración, separación del material no metálico y tamizado. La pureza del polvo depende de la pureza de las materias primas.

Fabricación de Polvo por Medio de Electrolisis

Varios metales pueden ser depositados en un estado esponjoso o en polvo. Puede requerirse un extenso procesamiento adicional: lavado, secado, reducción, recocido y triturado. El cobre es el principal metal que se produce de esta manera. Características del proceso: alta densidad y pureza.

Fabricación del Polvo por Medio de Atomización

El metal fundido es dispersado y dividido en pequeñas gotas que son enfriadas rápidamente antes de que entren en contacto entre ellas o con otra superficie sólida. El método principal de obtención consiste en desintegrar un delgado chorro de metal o aleación fundida sometiéndolo al impacto de chorros de alta energía de gas o líquido. Aplicable a todo metal o aleación con temperatura de fusión menor que 1600 °C (aceros de altas, inoxidables, bronces, latón, Al, Sn, Pb, Zn, Cd, etc.). Diseño y configuración de los chorros, presión y volumen del fluido a atomizar, grosor del flujo del metal, etc., son parámetros para controlar la distribución del tamaño de las partículas. La forma de las partículas es determinada en gran medida por la velocidad de solidificación. Es particularmente útil para la producción de aleaciones en forma de polvo, cada partícula de polvo tiene la misma composición química. El proceso se utiliza para producir composiciones tales como cobre-plomo.

Fabricación del Polvo por Medio de Trituración Mecánica

Materiales frágiles se pulverizan mecánicamente en molinos de bolas y otro proceso conocido como el proceso de micronización produce polvos muy finos.

Fabricación de Polvo por Medio de Procesos Químicos

Se utiliza la descomposición térmica de un compuesto químico, siendo un proceso destacado el carbonilo de níquel. Se utiliza la precipitación química de un metal a partir de la solución de una sal soluble.

Proceso Carbonilo

Medio de refinación de níquel, que se hace reaccionar de forma selectiva con monóxido de carbono bajo presión para formar el carbonilo. Se descompone al aumentar la temperatura y disminuir la presión.

Características del Polvo

• Tamaño de partículas y distribución del tamaño
• Forma o morfología de las partículas
• Estructura (cristalina y metalográfica)
• Condición superficial (rugosidad y porosidad)
• Composición química (pureza, % contaminantes)
• Densidad aparente (DA)

El parámetro DA influye en la resistencia de los compactos obtenidos por compresión. La DA es función de la morfología, de rugosidad y por lo tanto de la fluidez de las partículas.

Caracterización de los Polvos: Tamaño de Partícula

• Determinación de los polvos tamaño partícula (técnicas de medición, parámetros que se mida, forma de la partícula)
• Técnicas de medición del tamaño de partícula (tamaño, microoscopia, técnicas por difusión de Rx)

Tamizado

Utilizada para conocer el tamaño de partícula. La técnica de tamizado es aplicable para partículas de tamaño superior a 38 μm.

Caracterización de los Polvos: Morfología de Partículas

• Influencia el apilamiento, flujo y la comprensibilidad
• Provee información acerca de la ruta de fabricación del polvo
• Se usan descriptores cualitativos para expresar la forma de la partícula

Caracterización de los Polvos: Fricción entre Partículas

• Fluidez del polvo
• Apilamiento
• Si aumenta el área superficial entonces (aumenta la fricción, Disminuye el flujo eficiente y el apilamiento)
• Índices de la fricción entre partícula (DA, Densidad post-vibrado, Ángulo de reposo, Velocidad de flujo)
• Aparatos de medición (Medidor de flujo de hall: mide velocidad y DA / volumetro scorr: polvos de menor tamaño que no fluyen libremente debido a la alta fricción entre partículas)

Caracterización de los Polvos: Composición Química, Homogeneidad, Impureza

3 grupos de la composición química: (polvos elementales (materiales de alta pureza), polvos pre-mezclados (combinación de 2 o más polvos), polvos pre-aleados (aleado mecánico)).

A.Q interesa caracterizar: condición superficial del polvo, A.Q general. Técnicas de caracterización de la C.Q: (espectrometría de absorción atómica, Difracción de Rayos X, Fluorescencia de Rayos X, Microscopia electrónica de Barrido MEB-EDS)

Compuestos de Matriz Metálica

Son metales que tienen una dispersión de una fase dura no metálica finamente dividida con la idea de proveer un reforzamiento de la matriz. Los compuestos de matriz son materiales reforzados mediante la dispersión fina de óxidos, carburos, nitruros y boruros que le otorgan mejores propiedades mecánicas, especialmente a elevadas temperaturas. La pulverización es la vía más importante por la cual se producen tales compuestos.

Aleado Mecánico

Este proceso consiste en la molienda, de una mezcla de polvo metálico. Aleaciones de aluminio. Molienda mecánica: Solo mezclado, reducción de tamaño de las partículas o dispersión de partículas duras tipo cerámicas. Aleado mecánico: Busca generar una aleación o la formación de un compuesto por medio de una reacción química en el estado sólido. Permite extender la solubilidad en aquellos sistemas donde no existe solubilidad entre los elementos.

Variables que Influyen en Aleado Mecánico

: Tipo de molino – Tiempo de molienda – Velocidad rpm – Razón de carga: masa bolas/masa polvo – Material de bolas y contenedor – atmosfera interior jarro – Dispersante utilizado (PCA) – Fracción de volumen de dispersante.

Producción de piezas sinterizadas: Los componentes en polvo se mezclan con un lubricante hasta que se obtiene una mezcla homogénea. Luego se deposita la mezcla en una matriz donde es compactada bajo presión, siendo posteriormente sinterizado el compacto – Una excepción es el proceso de fabricación de elementos de filtro a partir de polco de bronce de morfología esférica, donde no se utiliza ningún tipo de presión; el polvo simplemente es acomodado en un molde con la forma deseada en el cual es sinterizado (sinterización del polvo suelto).
Mezclado: El objetivo del mezclado es proporcionar una mezcla homogénea y la incorporación de lubricante, la función del lubricante es reducir la friccion.
-La reducción de la friccion facilita la eyección de los compactos, minimizando asi la tendencia a formar grietas planares.
-La selección del lubricante es importante, ya que este puede afectar negativamente tanto la resistencia del cuerpo vende como la del compacto sinterizado
– existen partículas conocidad como BANDER o ligas, que se usan para facilitar el proceso.
Ligas: son polímeros termoplásticos combinado con agua y una variedad de substancia organicas.

Prensado o compactación:La mezcla de polvos se compacta a la forma deseada en una matriz de acero rigido o de carburo bajo presión 150-900 Mpa (en frio), los compactos deber ser lo suficientemente fuertes para soportar la expulsión desde la matriz y el posterior manejo antes de la sinterizacion. La forma final y las propiedades mecánicas quedan determinadas esencialmente por el nivel y la uniformidad de la densidad del compacto prensado – La presión máxima de compactación permisibles es controlada por la necesidad de evitar fallas de la herramienta.

Compactacion en Tibio: Implica el precalentamiento tando de la materia prima en polvo como de las herramientas de compactación. Esto peromite que la densidad en verde aumente (mejora en las propiedades mecánicas en comparación con la compactación en frio convencional). – Herramientas de mano, ruedas dentadas, anillos sincronizadores y distintos ejes.
Compactacion en Caliente: En ciertos casos se utiliza. A T° elevadas los metales son mas suaves y por lo tanto, normalmente es posible prensar hasta una densidad micho mayor, son aumentar la presión requerida. – El uso del proceso está limitado por su costo mucho mayor; se requieren matrices especiales resistentes al calor, una atmosfera controlada puede ser necesaria y las velocidades de producción son, relativamente muy lentas; pero se utiliza para la producción de herramientas de corte de mental duro y diamante – El prensado en caliente solo se justifica por las propiedades significativamente mejor obtenidas, por lo que no es necesario sinterizarlo por separado.
Sinterizacion: Es una operación de tratamiento térmico realizada sobre un compacto para unir o enlazar sus partículas metálicas, aumentando así la resistencia y la dureza. – Sinterizacion implica el transporte de masas para crear los cuellos y los transforma en los límites de grano (difusión) – El tratamiento térmico consiste en 3 paso: (Precalentamiento, en la que los lubricantes y aglutinantes se queman – Sinterizacion – Se enfrié)

Efectos de una atmosfera controlada incluye: Protección de la oxidación – Proporcionar una atmosfera reductora para eliminar los óxidos existentes – Proporcionar una atmosfera de cementación – Ayudar en la eliminación de lubricantes y aglutinantes

Aceros al carbono: Muy safistactorios donde: (La resistencia y otros requisitos no son muy severos – Uso a T° comunes y en atmosferas no altamente corrosivas) – Limitaciones: (Baja templabilidad limita la resistencia que puede obtenerse, excepto en secciones regularmente delgadas – Marcada suavidad con el incremento de la T° de revenido)

Aceros aleados: Aquel cuyas propiedades características se deben a algún elemento diferente del carbono.
La función principal del manganeso y del silicio es actuar como desoxidante.
                                              Designación de los aceros
1- Respecto al proceso de oxidación (calmados: En estos aceros la desoxidación se efectúa antes de la colada, añadiendo aluminio o  silicio. Es el de mejor calidad. Produce una estructura homogénea y sin fallas internas – Efervescentes: La remoción de oxigeno se efectúa en la lingotera por reacción del carbono con el oxígeno. Esta limitado a aceros con contenido de C 0,25%>Semicalmados: Es un procedimiento intermedio entre los dos anteriores
2- Respecto al proceso de obtención: Thomas – Bessemer – Aceros fundido – Aceros conformados
3- Respecto al contenido de carbono: Bajo carbono ( C0,25)>0,6)
4- Designación antigua: Aceros suaves – Semisuaves – Aceros duros – Semiduros – Extraduros
5- Respecto a la utilización: Aceros estructurales (bajo C) – Aceros para maquinas (medio C) – Aceros para herramientas (alto C)
6- Respecto a los elementos de aleación: Aceros al carbono (contienten solamte carbono y manganeso como elemento de aleación) – Aceros aleados (Ademas del carbono y del manganeso tienen otros elemtos como Cr, Ni, Tu, V, W…)
0,6)>

Aceros al carbono: Muy safistactorios donde: (La resistencia y otros requisitos no son muy severos – Uso a T° comunes y en atmosferas no altamente corrosivas) – Limitaciones: (Baja templabilidad limita la resistencia que puede obtenerse, excepto en secciones regularmente delgadas – Marcada suavidad con el incremento de la T° de revenido)

Aceros aleados: Aquel cuyas propiedades características se deben a algún elemento diferente del carbono.
La función principal del manganeso y del silicio es actuar como desoxidante.
                                              Designación de los aceros
1- Respecto al proceso de oxidación (calmados: En estos aceros la desoxidación se efectúa antes de la colada, añadiendo aluminio o  silicio. Es el de mejor calidad. Produce una estructura homogénea y sin fallas internas – Efervescentes: La remoción de oxigeno se efectúa en la lingotera por reacción del carbono con el oxígeno. Esta limitado a aceros con contenido de C 0,25%>Semicalmados: Es un procedimiento intermedio entre los dos anteriores
2- Respecto al proceso de obtención: Thomas – Bessemer – Aceros fundido – Aceros conformados
3- Respecto al contenido de carbono: Bajo carbono ( C0,25)>0,6)
4- Designación antigua: Aceros suaves – Semisuaves – Aceros duros – Semiduros – Extraduros
5- Respecto a la utilización: Aceros estructurales (bajo C) – Aceros para maquinas (medio C) – Aceros para herramientas (alto C)
6- Respecto a los elementos de aleación: Aceros al carbono (contienten solamte carbono y manganeso como elemento de aleación) – Aceros aleados (Ademas del carbono y del manganeso tienen otros elemtos como Cr, Ni, Tu, V, W…)
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                             Designación por normas
ASTM: American Standard of Testing Materials
AISI: American Iron and Steel Instute
SAE: Society of Automotive Engineers
DIN: Normas alemandas
UNS Unified Numbering System
Propósito de la aleación: Aumentar la dureza y la Resistencia mecánica tanto a altas como a bajas T° – Obtener resistencia uniforme a través de toda la sección en piezas de grandes dimensiones – Disminuir el peso de manera a reducir la inercia de una parte en movimiento. – Mejorar la tenacidad a cualquier dureza o resistencia mínima – Darle resistencia a la corrosión – Aumentar la resistencia al calor – Aumentar la resistencia al desgaste – Aumenta la capacidad de corte – Mejorar las propiedades eléctricas o magnéticas.
Clasificación según composición química: Al carbono ( C y elementos residuales, Mn, Si, P, S y otros) – De baja aleación: (cuyo contenido total no sobrepasa aprox. 5%) – De alta aleación: ( contenido de aleantes mínimo 10 a 12%) – Aceros de media aleación: (grupo intermedio a los anteriores).

Clasificacion de acuerdo con la estructura: Perliticos: (sin elementos aleantes o en contenidos bajos, sus propiedades mecánicas puede ser mejorada por temple y revenido, su maquiabilidad puede ser muy buena) – Martensiticos: (cuando los alenates superan el 5%; presentan dureza muy elevada y baja maquiabilidad) – Austeniticos: (Retienen la estructura austenitica a T° ambiente, debido a elevados contenidos de ciertos aleantes(Ni, Mo o Co)) – Ferriticos: (Altos contenidos de ciertos aleantes(Cr, W o Si) y bajo carbono, no se templan, estructura predominantemente ferrifica con pequeñas cantidades de cementita) – Con carburos: (con gran contenido de carbono y elementos formadores de carburos. Usados en herramientas de corte y en matrices)

Clave de enumeración: 1.aceros al carbono(1xxx) 2.aceros al Ni(2xxx) 3.Aceros al Ni-Cr(3xxx) 4.Aceros al Mo(4xxx) 5.Aceros al Cr(5xxx) 6.Aceros al Cr-V(6xxx) 7.Aceros al W(7xxx) 8.Aceros al Ni-Cr-Mo(8xxx) 9.Aceros al Si-Mn(9xxx)
Aceros estructurales 10xx: Aceros de uso frecuente, A.Q.. C, Mn, P y S.

Aceros al Niquel 2xxx: Tiene ilimitada solubilidad en hierro gama – Altamente solubre en ferrita – Disminuye las T° criticas del acero – Amplía el intervalo de T° para el tratamiento térmico exitoso – Retarda la descomposición de la austenita – Reduce el contenido de carbono del eutectoide – La perlita formada a una T° menor, es mas fina y tenaz que la de los aceros no aleados – Los aceros 3,5% de Ni (23xx) bajo contenido de C, se emplean para carburizar engranes de transmisión, tornillos de bielas, pernos y seguros – Los aceros al 5% de Ni (25xx) mayor tenacidad y se utilizan como engranajes para camiones y autobuses, levas y cigüeñales.
Aceros al Cromo (5xxx): Cromo es mas barato que el niquel – Forma carburos simples o carburos complejos – Tienen alta dureza y buena resistencia al deterioro – Los aceros aleados de bajo C de esta serie generalmente se carburizan. La presencia del cromo aumenta la resistencia al desagaste de la superficie endurecida, pero la tenacidad en la parte interna no es tan alta como en los aceros al niquel – Un acero aleado al alto C y alto Cr se caracteriza por la gran dureza y resistencia al desgaste. Se utiliza para cojinetes de bolas y rodillos y maquinaria de trituración.
Aceros al Ni-Cr (3xxx): El efecto del Ni de aumentar la tenacidad y la ductilidad se combina con el efecto del Cr de mojorar la templabilidad y la resistencia al desgaste – Mayor dureza combinados que utilizados por separado – 1,5% Ni y 0,6% Cr (31xx) engranes helicoidales, perdno para piston etc.. – 3,5% Ni y 1,5% Cr (33xx) engranes para avión, flechas y levas.

Aceros al manganeso (31xx): Uno de los elementos de aleación menos costosos – presente en todos los aceros como desoxidante – Reduce la tenacidad a la fragilidad en caliente – Buena resistencia y dureza pero en menor grado que el carbono – Efecto moderado sobre la templabilidad – Los aceros de grano fino al manganeso alcanzan tenacidad y resistencia no comunes. Generalmente se utilizan para engranes, flechas ranuradas, ejes y cilindros para fusil. Con vanadio se emplean para grandes forjas que deben enfriarse en aire.
Aceros al Molibdeno: Elemento relativamente costoso – Solubilidad limitada en hierros y es un fuerte formador de carburo – Fuerte efecto sobre la templabilidad – Aumenta la dureza y resistencia a alta T° de los aceros – Menos susceptibles al fragilizado debido al revenido – Cr-Molib (41xx) buena ductilidad y capacidad para soldarse – Ni-Cr-Molib (43xx y 47xx) buena templabilidad y carac. Ni-Cr se utiliza en la industria aeronáutica, alas, fuselaje y tren de aterrizaje.
Aceros al Tungsteno: Efecto sobre la templabilidad – Formador de carburo – 2 a 3% de tungs equivale a 1% de molib. – Se utiliza principalmente en aceros para herramientas – Costoso

Aceros Vanadio: Mas costoso de los elementos de aleación – Potente desoxidante y un fuerte formador de carburo, el cual inhibe el crecimiento de grano – Cuando se disuelve, tiene efecto sobre la templabilidad y altas prop. Meca – Cr-V bajo C (61xx) se utilizan en la condición de endurecimiento superficial – Con alto C, gran dureza y resistencia al desgaste.. cojinetes y herramientas.
Aceros al silicio (92xx): Desoxidante barato – No es formador de carburo, sino que se disuelve en ferrita, aumentado la resistencia y tenacidad – Una buena combinación de manganeso y silicio adecuadamente balanceada produce un acero con alta resistencia poco común y una buena ductilidad y tenacidad (9260)

Aceros Inoxidables: definición: aceros aleados que contienen al menos 10% de Cr, con o sin otros elementos – Se dividen en 5 categorias: (Austeniticos, Ferriticos, Martensiticos, Endurecibles por precipitación y Duplex) – Resistentes a la corrosión y al calor – 2xx(Cr-Ni-Mn; no endurecibles, austeniticos, no magnéticos) – 3xx(Cr-Ni; no endurecibles, martensiticos, magnéticos) – 4xx(Cr; endurecibles, martensiticos, magnéticos) – 4xx(Cr; no endurecibles, ferriticos, magnéticos) – 5xx(Cr; bajo Cr, resistentes al calor)
Tratamiento térmico: La máxima dureza y resistencia dependen especialmente del contenido de carbono – principal dif: El alto contenido de aleancion hace que la transformación sea tan lenta y la templabilidad tan alta, que la dureza maximca se produce por enfriamiento de aire
Aceros Martensiticos Inox: Entre 11,5 y 18% de Cr – Los 410 y 416 son aleaciones más conocidas en este grupo y se utilizan en aletas para turbinas y piezas de fundición resistentes a la corrosión – Carac: (Magneticos – Trabajables en frio sin dificultad – Maquinabilidad satisfactoria – Buena tenacidad – Gran resistencia a la corrosión atmosférica – Se trabaja fácilmente en caliente
Aceros Ferriticos Inox: Solo Cr: 14 a 27% – No se pueden endurecer por tratamiento térmico, sino solo moderadamente mediante trabajo en frio – Carac: (Magneticos – Pueden trabajarse en frio o en caliente – Maxima suavidad, ductilidad y resistencia a la corrosión en la condición de recocido – Se deforman fácilmente en frio, se utiliza para estampado profundo de piezas

Aceros Austeniticos Inox: Cr-Ni tipo 3xx y al Cr-Ni-Mn 2xx – Son esencialmente no magnéticos en la condición de recocido y no endurecen por tratamiento térmico. Ni-Cr 23% – Carac: (No magnéticos, facilemte trabajable en caliente – Puede llegar a ser ligeramente magnético cuando se trabaja en frio – Muy resistentes al impacto – Resistente a altas T° – Dificiles de mauinar – Mejor resistencia a la corrosión que los aceros martensiticos o ferriticos)

Aceros Inox endurecibles por Precipitación: Se tratan con un recocido en aceria, después de formados, se envejecen para alcanzar el valor en dureza y resistencia – Tinen menor contenido de Ni, reduciendo la estabilidad de la austenita – Pueden tener cobre y aluminio, que tienden a formar precipitados aleados coherentes

 Elemeto 1 Solub slidad en Fe Gamma 2 Soub solida en Fe alfa 3 Influencia en la ferrita 4 influencia en la asutenita 5 Tendencia a formar carburo 6 accion durante el revenido 7 Funciones principales

Cromo: 1-12,8%(20% con 0,5%C) 2-ilimitada 3-La endurece ligeramente; aumenta la resistencia a la corrosion 4-Aumenta la templabilidad moderadamente 5-Mayor que Mn; menor que W 6-Contrarrestra ligeramente al suavizado 7-(Aumenta la resistencia a la corrosion y oxidacion/Aumenta la teplabilidad/Añade alguna resistencia a altas T°/Resiste a la abrasion y desgaste

Manganeso: