tema 7. pulvimetalurgia
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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 [Figura
7.1.] 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.
Figura 7.1. Piezas obtenidas por pulvimetalurgia
Pulvimetalurgia
7.3
Más tarde, 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.
Las etapas que comprende el proceso de pulvimetalurgia son:
1. Producción del polvo
2. Mezclado del polvo y fabricación de la matriz
3. Compresión del polvo
4. Aplicación de calor
En la Figura 7.2. 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 ofrece este tipo de conformado se recogen en la siguiente
tabla [Tabla 7.1.].
Tabla 7.1. 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.
POLVOS
METÁLICOSMEZCLADO
COMPACTACIÓN
EN FRÍO
COMPACTACIÓN EN
CALIENTE
SINTERIZADO
OPERACIONES
SECUNDARIAS Y
DE ACABADO
Atomización
Reducción
Deposición electrolítica
Trituración, etc.
Prensado
Laminado
Prensado isostático
Extrusión, etc
Prensado isostático
Atmósfera al vacío
Acuñado
Forjado
Mecanizado
Impregnación
Infiltración, etc
Aditivos
Lubricantes
POLVOS
METÁLICOSMEZCLADO
COMPACTACIÓN
EN FRÍO
COMPACTACIÓN EN
CALIENTE
SINTERIZADO
OPERACIONES
SECUNDARIAS Y
DE ACABADO
Atomización
Reducción
Deposición electrolítica
Trituración, etc.
Prensado
Laminado
Prensado isostático
Extrusión, etc
Prensado isostático
Atmósfera al vacío
Acuñado
Forjado
Mecanizado
Impregnación
Infiltración, etc
Aditivos
Lubricantes
POLVOS
METÁLICOSMEZCLADO
COMPACTACIÓN
EN FRÍO
COMPACTACIÓN EN
CALIENTE
SINTERIZADO
OPERACIONES
SECUNDARIAS Y
DE ACABADO
Atomización
Reducción
Deposición electrolítica
Trituración, etc.
Prensado
Laminado
Prensado isostático
Extrusión, etc
Prensado isostático
Atmósfera al vacío
Acuñado
Forjado
Mecanizado
Impregnación
Infiltración, etc
Aditivos
Lubricantes
Figura 7.2. Secuencia de operaciones e identificación de procesos
Pulvimetalurgia
7.4
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
7.2 Características 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 donde
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 7.3.].
Figura 7.3. Posibles formas de partículas
Pulvimetalurgia
7.5
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. Otros métodos utilizados son por sedimentación, microscopía electrónica u
óptica o técnicas de rayos X.
En resumen, el tamaño de la partícula no debe ser demasiado grande ni demasiado
pequeño, ya que las partículas grandes no presentan 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 porosidad
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 del 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 son 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
Pulvimetalurgia
7.6
partículas. En ocasiones, para facilitar el flujo durante el prensado y reducir la fricción se
añaden pequeñas cantidades lubricante.
7.3 Fabricación de polvos metálicos
Los polvos metálicos se producen por muchos métodos, tales como mecánicos, químicos,
físicos o eléctricos, pero sólo unos pocos son de interés comercial para los procesos de
metalurgia, debido a su capacidad para 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 [Figura 7.4.] 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.
Figura 7.4. Métodos de atomización
Pulvimetalurgia
7.7
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.
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 [Figura 7.5.]. En general, suelen
aplicarse posteriormente 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 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 [Figura 7.6.].
En general, esta técnica se utiliza para la producción de polvos
de cobre, plata, hierro, tantalio titanio, etc. Los polvos obtenidos,
c) Molino de martillo
Figura 7.5. Desintegración
Figura 7.6. Electrólisis
Pulvimetalurgia
7.8
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.
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 ser 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 7.7.].
Figura 7.7. Métodos de mezclado
Pulvimetalurgia
7.9
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.
7.4.3.1 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; 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 7.8. Ejemplo de compactación por doble acción
Pulvimetalurgia
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 7.8.].
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.
7.4.3.2 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 7.9.].
Figura 7.9. Fases del prensado isostático en frío
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
Pulvimetalurgia
7.11
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 las altas temperaturas que intervienen.
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
[Figura 7.10.].
7.4.3.3 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); la mezcla granulada se calienta hasta alcanzar la consistencia de una pasta y
se inyecta dentro de un molde cerrado para formar el compactado en verde. Una vez
enfriado, se retira del molde y se elimina el aglomerante. Posteriormente, el compactado 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 la 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. Las
temperaturas de sinterización son más altas que en la pulvimetalurgia convencional y como
consecuencia, las piezas sinterizadas contienen solo 2 - 5 % de porosidad.
7.4.3.4 Laminación, extrusión y forjado de polvos
En el caso de la laminación, se mezclan un compuesto de polvos con agua y un aglutinante
celulósico para dar lugar a un lodo fino. El lodo se deposita en forma de película continua y
se compacta entre dos rodillos para formar una tira verde que se sinteriza, inicialmente para
eliminar el aglutinante y después para unir las partículas [Figura 7.11.].
Figura 7.11. Laminación de polvos
Figura 7.10. PIC
Pulvimetalurgia
7.12
En la extrusión, el polvo inicial puede tener formas diferentes. Se colocan en un recinto
metálico hermético, se calientan y se extruyen junto con el recipiente. Otra variante consiste
en preformar las piezas por un prensado convencional, sinterizarlas y después extruirlas 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. Las propiedades mecánicas muchas
veces sobrepasan a las de los metales estirados debido a que se logra una composición
más uniforme en los procesos pulvimetalúrgicos. La resistencia a la fatiga y al impacto son
particularmente altas en las forjas de polvos.
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 7.12.]. 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 7.12. Fases del sinterizado
Pulvimetalurgia
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
proceso 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.
7.4.4.1 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.
7.4.4.2 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 menor que la producida en estado sólido. La producción de carburos
sinterizados es un ejemplo significativo de este tipo de sinterización.
7.4.4.3 Sinterizado por chispas
Es una combinación de prensado y sinterizado, y supera alguno de los inconvenientes del
sinterizado en caliente descrito en el apartado 7.4.4.1. 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 de alta energía que quema los contaminantes de la superficie y deja las
Pulvimetalurgia
7.14
partículas limpias para su compactación y sinterización, formando una pieza densa y sólida
de forma muy rápida (~15 s).
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, con objeto de
conferir la propiedad de autolubricación. 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. También se puede utilizar para incrementar la resistencia al
desgaste de los engranajes.
En la impregnación con polímeros la pieza se sumerge en un polímero líquido, en una
atmósfera de baja presión. Tras la inmersión, se incrementa la presión en la cámara y por
último, se aplica temperatura para que cure el polímero. Este proceso impermeabiliza y
presuriza las piezas, mejora la resistencia a la corrosión así como el mecanizado y prepara
para operaciones de acabado superficial, pero es un proceso costoso.
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 a temperaturas más
altas que la temperatura de fusión del infiltrante, de forma que la acción de la capilaridad
haga fluir el relleno dentro de los poros [Figura 7.13.].
Figura 7.13. Infiltración
Pulvimetalurgia
7.15
Presenta la ventaja de que aumenta la densidad y la resistencia, así como la
impermeabilidad y presurización de las piezas, pero el control dimensional disminuye y
aumenta el coste de materias primas y producción. 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
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.
Pulvimetalurgia
7.16
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
difícil de fundir, por lo que se produce a partir de óxido de tungsteno que se reduce
con hidrógeno. Posteriormente se comprime, presinteriza 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 presinterizado, 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.