sinterizado 2
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ciencia d elos materialesTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL
DE INGENIERÍA
CURSO : CIENCIA DE LOS MATERIALES II
PROFESOR : ING. ZAMORA LUCIANO
TEMA : SINTERIZADO
SECCIÓN : A
INTEGRANTES:
CUBAS MASGO ALVARO JESÚS 20130057G
BLANCO ALANIA GERSON 2013
HUAMANI NIZAMA REY CHRISTIAN 20132158E
COLQUI YALICO BRANDON 2013
CICLO 2014 - 2FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
INDICE
INTRODUCCION………………………………………………………………………….3
FUNDAMENTO TEORICO…………………………………………………………….…4
MODELO DE DESARROLLO DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE
SINTERIZADO……………………………………………………………………14
CUESTIONARIO……………………………………………………………..…………..26
CONCLUSIONES……………………………………………………………..…………32
BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………..…………33
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INTRODUCCIÓN
El uso de los metales en polvos se remonta a varios centenares de años atrás. Pero
fue apenas en el siglo pasado que, debido a avances tecnológicos de la segunda
guerra mundial, la industria de la pulvimetalurgia se creó como tal. Desde entonces y
gracias a sus continuos avances y la calidad y utilidad de sus productos ha crecido
más rápidamente que cualquier otro proceso de manufactura de piezas metálicas.
La metalurgia de polvos es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos y
tras su compactación para darles una forma determinada (compactado), se calientan
en atmósfera controlada (sinterizados) para la obtención de la pieza.
Este proceso es adecuado para la fabricación de grandes series de piezas pequeñas
de gran precisión, para materiales o mezclas poco comunes y para controlar el grado
de porosidad o permeabilidad.
Algunos productos típicos son rodamientos, árboles de levas, herramientas de
corte, segmentos de pistones, guías de válvulas, filtros, etc.
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FUNDAMENTO TEÓRICO
PulvimetalurgiaLa pulvimetalurgia es un proceso de conformación metálica, como la forja, o el
moldeo, Esta técnica presenta un control dimensional muy exacto. La pulvimetalurgia
abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos metálicos hasta las
piezas acabadas, es decir, producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización
y acabado. Su competidor más directo es el moldeo de precisión o moldeo a la cera
perdida. La industria pulvimetalúrgica se basa en la producción de grandes series en
las cuales el costo del mecanizado influye decisivamente en el costo del producto
sinterizado.
PROCESOEl proceso de pulvimetalurgia, consiste en prensar polvos metálicos para darles forma
determinada; el prensado se hace con prensas similares a las de los procesos
normales de formado con matrices más complejas y los materiales en polvo se deben
someter a tratamiento térmico en un horno para sinterizarlos. La primera aplicación en
la industria moderna fue la formación de alambres con materiales en polvo que eran
muy duros para trabajarlos o fundirlos. La metalurgia de polvos es muy usada para
formar una gran cantidad de piezas pequeñas, en este proceso es factible fabricar o
trabajar ciertos materiales que por otros medios es casi imposible. Los puntos de
fusión de los metales refractarios como el Tungsteno (3000º C), el Titanio (2996°C) ) y
el Molibdeno (2620°C) son muy difíciles de trabajar.
Otras sustancias como el Zirconio (1900º C) reaccionan intensamente con los medios
ambientales cuando se funden. La metalurgia de polvos es una forma práctica para
refinar y fabricar piezas de estos metales, también es el único método factible de
consolidar y formar los materiales separados para herramientas, como los carburos
cementados y los óxidos sinterizados. Las combinaciones de los metales y no metales
que no son obtenibles en forma económica, por aleación es posible gracias al proceso
de metalurgia de polvos, esto es de valor particular en la industria eléctrica, como en
los imanes y en las escobillas de motor donde los puntos de contacto deben tener
conductividad apropiada para ser resistentes al desgaste y al aire. Las escobillas se
hacen de polvo de cobre, grafito y algunas veces estaño, y para los puntos de contacto
se requieren combinaciones como Tungsteno, cobre o plata.
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CERMETSLa metalurgia de polvos hace posible una clase de materiales conocidos como
CERMETS, o combinación de metales y cerámicos, con la resistencia de los metales o
aleaciones y la resistencia a la abrasión y al calor de los compuestos metálicos.
Los CERMETS tienen diferentes aplicaciones como en aparatos químicos resistentes
a la corrosión, equipo para energía nuclear, bombas para servicios severos y sistemas
para manipular combustible de cohetes. Este proceso abarca la preparación de los
polvos y su conformación por prensado en caliente en artículos útiles. En forma básica
un polvo de metal se compacta en forma deseada y se calienta para reforzar el
compacto por sinterizado.
POLVOS DE METALLas composiciones más usadas son los polvos en base de cobre o de hierro, latón y
acero para partes estructurales, bronce para cojinetes. Otros de importancia aunque
en cantidades menores son acero inoxidable, aluminio, titanio, níquel, estaño,
tungsteno, cobre, zirconio, grafito y óxidos metálicos y carburos. Se usan polvos de
metal puro para ciertas partes y aleaciones para otras. Estas últimas pueden
obtenerse aleando un metal antes del pulverizado y por el mezclado de polvos de los
ingredientes deseados. Las principales características de los polvos metálicos son la
forma, el tamaño y la distribución de las partículas, la pureza, la estructura del grano,
la densidad, la velocidad de flujo y la compresibilidad. La mayoría de los polvos de
metal se obtienen por reducción de mineral refinado, de escoria de laminación u
óxidos preparados por monóxido de carbono o hidrógeno, los granos tienden a ser
porosos.
Los metales pueden atomizarse en una corriente de aire, vapor o gas inerte. Algunos
pueden fundirse por separado e inyectarse a través de un orificio en la corriente. Otros
como el hierro, y el acero inoxidable, pueden fundirse en un horno eléctrico (como
aspersión del metal).En condiciones controladas el polvo de metal puede depositarse
electrolíticamente. Se calienta para recocerlo y expulsar el hidrógeno, se selecciona y
se mezcla. Los polvos electro depositados se encuentran entre los de más pureza y
tienen características dendríticas. La molienda en los molinos de bolas, martillos,
trituradores, es un medio para producir polvos casi de cualquier grado de finura a partir
de metales frágiles o metales maleables. Los granos de carburo de tungsteno se
pulverizan en esta forma, algunos metales maleables se muelen con un lubricante en
hojuelas y son usados para pinturas y pigmentos. Puede hacerse que el níquel o el
hierro reaccionen con monóxido de carbono para formar carbonilos metálicos como el
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NICOLA. Estos se descomponen en polvos finos de metal de alta pureza, de grano
uniforme y en partícula redondas.
FABRICACIÓN DE POLVOS METÁLICOSPerdigonado: es el proceso de dejar caer al agua, partículas fundidas, desde una
abertura pequeña pasando a través de aire o de un gas inerte.Otros métodos usados
de hacer polvos de metal, incluyen el maquinado.
Atomizado
PROCESOS DE FABRICACIÓNLas operaciones básicas de compactar y calentar pueden combinarse en diversas
formas en los procesos para la fabricación de polvos de metal. Además las
operaciones de compresión y sinterizado son variadas y se controlan para adecuarse
a muchas condiciones.
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COMPRESIÓNEl efecto de la presión en el metal en polvo es comprimir las partículas para colocarlas
en su lugar, iniciar enlaces interatómicos e incrementar la densidad de la misma. En
forma teórica si un polvo se comprime lo suficiente, alcanzará el 100% de la densidad
y resistencia del metal padre, cuando menos al ser sinterizado. La mayoría de las
partes se comprimen en frío, a veces pueden comprimirse o forjarse
subsecuentemente. La compresión en caliente produce la mayor exactitud. La forma
de la partícula adecuada, el tamaño, la distribución del tamaño, la selección
cuidadosa y la mezcla son necesarios para obtener una parte comprimida satisfactoria.
Las mejores ligas se obtienen entre partículas abruptas, pero las partículas redondas
fluyen mejor en el molde y bajo presión. La forma en que el polvo llena el dado
determina la velocidad de operación.
El metal en polvo se comprime en una cavidad o dado para tomar la forma de la parte
mediante uno o más punzones. La calidad depende de empacar con uniformidad el
material. El material en polvo no fluye con facilidad en las esquinas y los recesos como
los fluidos. La fricción es alta entre las partículas y las paredes del dado. Por tanto, un
solo punzón no puede compactar a densidad uniforme cualquier parte, sino solo las
más simples. Las partes que en particular tienen escalones, paredes delgadas, bridas,
etc., deben comprimirse con dos o más punzones para distribuir uniformemente la
presión a través de las secciones. Las partes más complejas pueden requerir hasta
dos movimientos superiores y tres o cuatro movimientos inferiores del punzón e
incluso ciertos movimientos laterales al corazón se suministran por la prensa.
La compresión de polvos normalmente se hace en prensas diseñadas específicamente
para tal propósito. Se evalúa una de dichas prensas por la fuerza que puede
suministrar y por la máxima profundidad de la cámara de dado que puede acomodar.
La medición de la fuerza determina el área de la sección transversal de la parte más
grande que puede sujetarse a una presión dada. La profundidad de la cámara del
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dado, llamada lleno de dado, determina que tan profundo puede ser el llenado de
polvo en un dado. Esto limita la longitud de la parte comprimida a razón de la
profundidad de polvo respecto a la longitud de la parte compactada de 2:1 a 3:1 para
el hierro y el cobre y hasta de 8:1 para algunos materiales.
Máquina para inyección de polvos
Prensado de los polvos
*OTROS MÉTODOS DE COMPACTACIÓN
El metal en polvo puede colarse, deslizándolo en moldes. El polvo se dispersa en un
líquido que contiene químicos para mojar las partículas y ayudar a distribuirlas en la
masa del molde. El molde puede ser poroso para absorber líquido libre y puede
vibrarse para densificar el compacto. Las partes coladas por deslizamiento se
sinterizan después para que tengan resistencia adecuada. Se usan agregados de fibra
para la absorción del sonido y de la vibración o como refuerzo para los plásticos y
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metales. El costo del molde es bajo y es económico para partes que son complejas o
en pequeñas cantidades.
Un método para polvos pesados, como el carburo de tungsteno, es la compactación
centrífuga. El polvo se hace girar en un molde y se empaca con uniformidad y a
presiones hasta de 3 Mpa(400 psi) en cada partícula. El metal en polvo también se
moldea por inyección, el lodo del polvo en agua o mezclado con un material
termoplástico se inyecta en un dado, el aglutinante se remueve en el sinterizado. Se
compactan cintas continuas y varillas laminando piezas de cobre, latón, bronce, monel,
níquel, titanio, acero inoxidable o fibras.
Una forma de aplicar la presión para obtener una densidad uniforme es encerrar el
polvo en un molde con forma de plástico o hule con la forma deseada y sumergirlo en
un gas o líquido en una cámara bajo presión de 70 a 700 Mpa. Pueden elaborarse
partes complicadas asimétricas y grandes con más facilidad que con otros métodos,
los dados de metal no son necesarios.
El polvo de metal, en contenedores de metal o cerámica y las preformas, se sujetan a
presiones de gas tan altas como 350 Mpa(50.000 psi) a temperaturas hasta 2200ºC en
la compresión isostática caliente. Se ha encontrado que esto es efectivo para metales
refractarios, cerámicas, cermets y polvos esféricos que no responden a la compresión
en frío. Los polvos de acero inoxidable, uranio y zirconio se sellan en latas y se
compactan al ser extruídos a través de dados mientras están protegidos de la
contaminación.
Los tubos largos pueden compactarse magnéticamente, el metal en polvo se vierte
rodeando un mandril dentro de un conductor coaxial, se pulsa una corriente de 1 MA a
través de conductores y se establece el campo magnético que oprime el conductor
interno contra el compacto.
SINTERIZADOEl sinterizado refuerza los enlaces entre las partículas formando un compacto de metal
en polvo. En todos los casos esto ocurre debido a que los átomos de las partículas en
contacto se entremezclan, los constituyentes del compacto pueden o no fundirse. Si
existe un solo constituyente como en el sinterizado del polvo de hierro, se presenta
una sola fase continua. En compactos de dos o más metales diferentes, se forman
fases de compuestos intermedios en los puntos de liga de las partículas. Con el
sinterizado, las áreas ligadas crecen y el material llena los vacíos entre las partículas.
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Se ha comprobado que la difusión y el movimiento de los átomos en las superficies de
las partículas son las actividades principales en las etapas iniciales del sinterizado. La
tensión superficial es la fuerza que impulsa a reducir el área de la superficie,
redondeando y suavizando las irregularidades superficiales.
El sinterizado por chispa se hace colocando polvo suelto en un dado, se pasa una
corriente intensa a través de él y se aplica a presión al mismo tiempo. Una corriente
inicial limpia la capa de óxido de las partículas de polvo, para facilitar la unión de las
superficies, una corriente calienta la masa bajo presión, éste proceso se ha
desarrollado en la industria aeroespacial para la elaboración de muchas de sus partes.
IMPREGNACIÓNLos cojinetes de polvo metálico se pueden impregnar con aceite, grafito, cera u otros
lubricantes, se obtiene un cojinete sellado, libre de mantenimiento, con el lubricante ya
integrado, no se necesita lubricación desde el exterior.
Estos productos se aplican en bujes, bombas de agua, alternadores, motores de
arranque y equipo similar. Las partes de metales en polvo y todas las clases de
colados como monobloques de motor, cajas de engranajes, cuerpos de bomba y
muchos más se impregnan para sellar los poros y evitar fugas en servicio. Esto se
hace con silicato de sodio, resinas poliéster o polímeros anaeróbicos.
INFILTRACIÓNLa infiltración consiste en reforzar el producto de polvo y hacerlo más denso al colocar
una pieza metálica sólida sobre la pieza formada con polvo y sinterizada para luego
volver a sinterizar ambas piezas. La segunda pieza se funde y la absorbe el objeto
poroso hecho con el polvo. Este proceso imparte cualidades de tenacidad,
durabilidad, resistencia y densidad al producto hecho con polvo metálico. Polvo de
hierro-cobre. La infiltración aumenta la resistencia de 70% a 100%. Las partes de
hierro pueden tener carbono agregado a la mezcla original o carburizarse después del
sinterizado, luego el tratamiento térmico de temple y revenido.
TRATAMIENTO TÉRMICOLos productos de polvos metálicos se pueden someter a tratamiento térmico por los
métodos convencionales para mejorar la dureza, tenacidad y otras propiedades
metalúrgicas deseables, el período de calentamiento debe ser más largo que para
piezas similares de material macizo, pero el enfriamiento debe ser más rápido, debe
evitarse la oxidación por medio de atmósferas protectoras. La oxidación puede
disminuir la resistencia y producir puntos débiles e impurezas en el objeto. Los
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problemas con la oxidación son más serios con los metales en polvo que con los
macizos.
ELECTRODEPOSICIÓNSe pueden electrodepositar la mayoría de los metales en los productos de metal en
polvo, como cobre, oro, plata, cromo y otros. La porosidad de las piezas de metal en
polvo presentan algunos problemas que no se encuentran en los metales macizos,
estas piezas se suelen impregnar con sustancias resinosas o plásticas para evitar la
absorción de la solución electrolítica. Los objetos de polvos metálicos se pueden
trabajar con operaciones similares al punzonado y acuñado, se calientan después,
para aumentar su dureza y tener más uniformidad en la estructura y densidad de los
granos.
MAQUINADOEl maquinado suele hacerse con métodos convencionales, que no requieren
adaptaciones al herramental o a las máquinas, no se usan aceites para corte, debido a
la porosidad de los objetos, como no se tiene enfriamiento, se genera un intenso calor
durante el maquinado, que disminuirá la duración de las herramientas de corte. En
algunas situaciones en las cuales se necesita utilizar lubricantes, se emplean líquidos
volátiles y disolventes, los cuales se evaporan con rapidez y no dejan manchas ni
residuos.
OPERACIONES DE ACABADOEstas imparten propiedades o características específicas a las partes de metal: la
infiltración, tratamiento térmico, impregnación y maquinado. Las partes de metal en
polvo pueden volverse a comprimir después del sinterizado. Esto se denomina
dimensionado si se hace para mantener dimensiones y acuñado para aumentar la
densidad. La recompresión puede hacerse en prensas compactadoras o en prensas
ordinarias.
Las partes de precisión hechas a partir de los polvos, como engranajes, tiene que
determinarse el tamaño para incrementar su precisión y su densidad.
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DISEÑO DE PARTES DE METAL EN POLVODeben observarse varias reglas para diseñar partes en forma apropiada y mantener
las partes tan pequeñas como sea posible. Las formas más fáciles de comprimir son
los cilindros, cuadrados y rectángulos. Son mejores las piezas planas. Los pasos
agregan dificultad para obtener la homogeneidad.
Deben evitarse aristas y esquinas agudas, filos delgados y ranuras profundas ya que
debilitan las herramientas, las preformas y las partes terminadas. Una parte no debe
tener contrasalidas que eviten que se saquen del dado cuando se compactan. Las
paredes que son muy delgadas se vuelven difíciles de llenar, la longitud de una parte
no debe exceder de dos a tres veces su diámetro. Se deben evitar esquinas agudas
en los ensanchamientos. Se deben tener un radio de curvatura en los cambios de
sección.
Las secciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre sí porque tienen
diferente expansión con el calor y causan grietas. Las paredes que son muy delgadas
se vuelven difíciles de llenar. La longitud de una parte no debe exceder de dos a tres
veces su diámetro. Las secciones delgadas o gruesas no deben estar contiguas entre
sí porque tienen diferente expansión con el calor y causan grietas. Las tolerancias más
prácticas son de más o menos 20 um/ cm para diámetros y más o menos 30 um/ cm a
lo largo. Los polvos metálicos no llenan bien los dados que tienen bordes agudos.
Deben preferirse diseños con aristas redondeadas.
PRODUCCIÓN DE LOS POLVOS METÁLICOSExisten tres procesos principales para producir el metal base y luego reducirlo a polvo.
Normalmente los polvos se hacen con metales que se han procesado en forma
específica para pulverizarlo. Algunos metales destinados a la pulverización se
producen con electrólisis, incluyen hierro, plata, tantalio y cobre. Algunas aleaciones
de hierro, níquel, cobalto, molibdeno y tungsteno tiene un alto contenido de impurezas
y se producen por reducción del metal en un horno. El tratamiento en horno, debido a
los gases y la oxidación, suele dejar mayor cantidad de impurezas que en los metales
producidos por electrólisis o en hornos de inducción.
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La acción del molino de bolas se ilustra
como una molienda continua que se
realiza al girar el tambor.
Trituración de polvos
El laminado de polvos puede producir
tirasde metales difíciles de trabajar,
refractarios oreactivos.
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MODELO DE DESARROLLO DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE SINTERIZADO
DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS
Maquina medidora de esfuerzo Tracción
Esquema de la máquina universal AMSLER para ensayos de tracción, compresión,
flexión y doblado de diversos materiales
1. Puente de trabajo.
2. Tirantes de unión.
3. Cilindro operador.
4. Puente fijo.
5. Columna.
6. Puente de tracción.
7. Bancada.
8. Émbolo.
9. Apoyos para la prueba de
flexión.
10. Hilo.
11. Varilla del péndulo.
12. Contrapeso.
13. Palanca del dinamómetro.
14. Tirante.
15. Émbolo de accionamiento del
dinamómetro.
16. Cilindro del dinamómetro
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VernierEl nonio o vernier es una segunda escala auxiliar que tienen algunos instrumentos de
medición, que permite apreciar una medición con mayor precisión al complementar las
divisiones de la regla o escala principal del instrumento de medida.
Lijas de diversas medidasSe utilizó agua normal de caño con un chorro sin mucha intensidad, cuyo propósito era
impedir el calentamiento de la probeta ya que si no se aplicaba este, se podría alterar
la estructura de la superficie, modificando así los resultados.
Las lijas usadas en la experiencia fueron de 600, 800, 1000 y 1200.
El tamaño de las lijas estaba hecha por la división de una pulgada entre sus
respectivos números ósea mientras mayor era el número de la lija más fina era esta.
Pulidor mecánico:El pulidor se encuentra conformado de una plataforma giratoria en forma circular sobre
el cual está colocado un determinado paño de tela, la probeta se colocaba por encima
de esta superficie de manera que lo roce con la intención que esta sea pulida, se usó
como polvo abrasivo la alúmina que es en realidad el que le da el pulido final. También
se le agrega un poco de agua, con el objeto de mantener frio el pulidor y evitar de esta
manera que se caliente la probeta, lo cual alteraría su estructura interna.
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La alúmina:La alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el componente más
importante en la constitución de las arcillas y los barnices, confiriéndoles resistencia y
aumentando su temperatura de maduración.
El óxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón y de esmeril. Tiene
la particularidad de ser más duro que el aluminio (el punto de fusión de la alúmina es
mayor que el del aluminio).
Siguiente el proceso más usual para la obtención de alumina, se logra un tamaño
medio de las partículas de 0,5 micras y de dureza de 9 en la escala de Mohs.
Físicamente en este tipo de alumina sus partículas son esferoidales y pierden
fácilmente sus aristas y vértices cortantes durante el uso del pulidor porque se
redondean.
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Microscopio Metalográfico:El microscopio utilizado era de la marca Carl Zeiss Jena, este nos permitió observar
las diversas probetas. Su operatividad era bastante sencilla, ya que solo se giraba un
eje para acercarse o alejarse. Este microscopio también nos permite observar la
microestructura del material que estamos observando.
Nital, alcohol, algodón y secadoraEn la experiencia usamos el NITAL para todas las probetas atacadas aunque su uso
es principalmente para la gran mayoría de los metales ferrosos. El tiempo de
aplicación fue de 3 a 5 segundos. Después se limpiaba con algodón con alcohol para
luego secar completamente el material con secadora.
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Molde de aceroPara la compactación de los polvos, serán necesarios moldes para darle forma a los
polvos en el momento de la compactación.
Las dimensiones de las partes del molde de acero se muestran a continuación:
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Materiales
Cobre electrolitico
Grafito
DESCRIPCIÒN DEL PROCEDIMIENTO Se mezcla el cobre con el grafito en proporciones de peso que varian del 96% y 4%
respectivamente junto con 2 a 3 gotas de aceite como glutinante.
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Se realiza la compactación de los polvos en moldes de acero templado por medio de
la maquina universal AMSLER a cargas de 4 y 3,5 y 2,5 toneladas para cada probeta.
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Se procede a la sinterización de las 3 probetas a 800ºC a iguales condiciones.
Se realiza el lijado de las 3 piezas removiendo los óxidos formados en la sinterizacion
listas para medir sus masas y sus dimensiones.
Se realiza el lijado y pulido para tomar fotografías antes del ataque químico.
A continuación se hizo el ataque quimico de cada una de las probetas para ver su
estructura interna.
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Finalmente se procede a realizar el degaste respectivo a cada probeta para
posteriormente pesarlas.
DATOS RECOGIDOS EN EL LABORATORIO
Molde de acero
Las dimensiones de las partes del molde de acero se muestran a continuación:
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%% grafito Masa antes del desgaste Masa después del degaste
1.5% 3.8756gr 3.3814gr
2% 5.4454gr 5.1458gr
3% 5.3604gr 4.7782gr
4% 5.1727gr 5.0804gr
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METALOGRAFIA DE LAS PROBETAS
1era Probeta
Probeta de prueba sinterizada sin lijar
2da Probeta
Probeta sinterizada de cobre con 98.5% de cobre y 1.5% de grafito
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3ra Probeta
Probeta de cobre sinterizada con 98% de cobre y 2% de grafito
4ta Probeta
Probeta sinterizada de cobre con 96% de cobre y 4% de grafito
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CUESTIONARIO:
1. ¿Qué métodos existen para obtener cobre en polvo para sus aplicaciones en metalurgia de polvos, que diferencia a cada una de ellas?
Existen 4 métodos importantes usados actualmente para obtener el polvo de cobre
usado en la metalurgia de polvos: atomizado, electrólisis, hidrometalurgia y reducción
del estado sólido.
Atomizado: Consiste en fundir el cobre para golpearlo posteriormente con un chorro
de gas o líquido, usualmente agua, para dividirlo en partículas que solidificarán
rápidamente. La forma y el tamaño de las partículas es influenciada por la naturaleza
del medio atomizante y por la presencia de elementos desoxidantes, como el fósforo,
aunque en esta etapa del proceso, la forma del cobre granulado no es importante.
Luego se oxida el granulado para modificar drásticamente la forma del grano, que
puede variar desde una estructura esponjosa y porosa, hasta una totalmente sólida.
En la práctica, la oxidación se da en aire a una temperatura de 650ºC.
Posteriormente, se muele el granulado, que tiene aproximadamente entre 0.5 y 0.1
milímetros de diámetro, para reducirlos a un polvo irregular de aproximadamente 50-
100 micras de longitud.
Después de la molienda, se reduce el polvo en una atmosfera de hidrógeno,
amoniaco disociado, monóxido de carbono u otro gas. Los más usados son, sin
embargo, hidrógeno y monóxido de carbono, siendo el hidrógeno preferido sobre el
monóxido de carbono a bajas temperaturas, mientras que a altas temperaturas se
usa cualquier mezcla que involucre a uno de los gases. El proceso de reducción es el
más importante pues regula la porosidad de la partícula, el tamaño de los poros y
distribución de tamaño del polvo, y la temperatura de reducción regula la porosidad
interna; altas temperaturas resultan en una porosidad interna fina, una superficie
específica grande y una reducción generalmente completa, bajas temperaturas
resultan en una porosidad interna gruesa y una superficie especifica pequeña.
Tras la reducción, el cobre esta como una plancha porosa. Se le hace pasar por un
triturador de mandíbula y luego se le hace pasar por muelas hasta finalmente hacerlo
polvo. Este método tiene por características un endurecimiento moderado y buena
compresibilidad y dureza Green. A las piezas acabadas usualmente se les cubre con
antioxidantes para evitar que se oxiden, pues reduce sus propiedades fuertemente.
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En resumen, el atomizado es un proceso versátil que puede cubrir la mayoría de
polvos requeridos por la mayoría de los rubros de cualquier industria.
Electrólisis: En este proceso se aplican los mismos conceptos que en el electro
refinamiento del cobre, solo que en lugar de obtener una capa solida de cobre, lo que
se desea es un depósito esponjoso o pulverulento. La formación de estos depósitos
en el cátodo se realiza mediante una concentración baja de cobre en el electrolito,
alta concentración de ácido y una alta densidad de corriente en el cátodo, aunque
para la obtención de polvos que cumplan los requerimientos comerciales hay que
cumplir otras condiciones.
La composición del electrolito, así como las condiciones de operación (densidad de
corriente y temperatura) determinan la eficiencia del proceso, mientras que el método
de remoción del polvo, que usualmente es la extracción mecánica por medio de
cepillado, es el que determina el tamaño de las partículas.
Después de terminar la electrólisis, se drenan los tanques y se deben de lavar las
partículas, pues de lo contrario las propiedades físicas se deterioran
considerablemente. Para lavar el polvo se pueden usar surfactantes, porque lo
protegen de la oxidación, al igual que una capa acuosa de gelatina.
Tras el lavado del polvo, se le pasa a través de un horno que está entre 480ºC y
760ºC -diferentes temperaturas generan diferentes dimensiones y propiedades- para
secarlo y posteriormente llevarlo a la molienda.
Hidrometalurgia: Consiste en preparar un líquido gestante o hacer una lixiviación a
partir de cobre en bruto, o materiales adecuados que contengan cobre, para luego
hacer una posterior precipitación del material. Para el cobre específicamente, se usan
los procesos de cementación, reacción con hidrógeno o dióxido de azufre y
electrólisis.
En la etapa de lixiviación, se forma parcialmente sulfato de cobre junto con otros
compuestos ácidos. La formación de ácidos es importante porque promueve la
oxidación y lixiviación de los minerales de cobre, y previene la hidrólisis de las sales
ferrosas.
El proceso de cementación consiste en agregar un metal menos noble, (o más
reactivo) que el que se quiere precipitar, en el caso del cobre se añade chatarra de
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hierro y luego se separa, lava, reduce y se pulveriza, dejando como resultado un
polvo de cobre que contiene hierro y sustancias insolubles como alúmina y sílice.
El proceso de reducción con hidrógeno se puede realizar con varias soluciones, ácido
sulfúrico, carbonato amónico de amonio entre otros, se han usado para producir
cobre en polvo. Lixiviación de cobre cementado con ácido sulfúrico se ha realizado
para obtener cobre casi al 100% de pureza.
Reducción: del estado sólido: Consiste en moler óxidos de cobre hasta un tamaño
de partículas de control que varían según el tamaño de grano deseado, y
posteriormente se le reduce con un gas, que comúnmente es monóxido de carbono,
gas de hidrógeno o gas natural craqueado, en una atmósfera de temperatura menor a
la temperatura de fusión del cobre.
El tamaño y forma de las partículas se puede controlar en cierta medida, controlando
el tamaño y forma de los óxidos de cobre, la temperatura de reducción, y la presión y
el flujo del gas. El polvo resultante se muele, se clasifica y se licúa hasta tener las
especificaciones deseadas.
La pureza del polvo depende principalmente del óxido, pues en este proceso no se da
ningún tipo de refinamiento.
Usualmente los polvos producidos de esta manera, aparecen porosos con altas
densidades aparentes y durezas Green.
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2. ¿Qué es la sinterización?
Sinterización es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una
temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de
la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.
En la fabricación de cerámicas, este tratamiento térmico transforma un producto en polvo en
otro compacto y coherente por medio de la jarolizacion. La sinterización se utiliza de modo
generalizado para producir formas cerámicas de alúmina, berilia, ferrita y titanatos.
En la sinterización las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas
temperaturas, pero por debajo del punto de fusión o vitrificación del compuesto que se desea
sinterizar. En el proceso, se produce difusión atómica entre las superficies de contacto de las
partículas, lo que provoca que resulten químicamente unidas.
3. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de obtener componentes o piezas por sinterizado compactada y sinterizada y si simultáneamente se aplica la compactación y sinterización?
-Ventajas
No se desperdicia material.
Precisión dimensional y buen acabado.
Tiempo de fabricación corto y costos reducidos.
Piezas imposibles por otros medios: porosidad controlada, mezcla de metales y no metales
(cerámicos).
-Desventajas
Elevado costo de las matrices de compactado.
Características mecánicas inferiores debido a la porosidad del material.
Limitaciones de diseño: sección uniforme en la dirección de compactado, esbeltez limitada,
etc.
Compactación en frío
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El polvo suelto se comprime mediante prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz,
resultando una forma que se conoce como pieza en verde o compactado crudo. Las prensas
más utilizadas son uniaxiales, en la que la presión se aplica al polvo en una sola dirección.
Mediante compactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y
acabados precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica.
Un inconveniente de la compactación uniaxial es la baja relación longitud/diámetro que puede
obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la
pieza y las zonas más próximas al punzón. Para obtener un compacto con mayor densidad se
emplean prensas de doble émbolo.
Variantes: Prensado isostático en frío (Cold Isostatic Pressing, CIP). Es un método de
compactación que se realiza encerrando herméticamente el polvo en moldes elásticos
típicamente de goma, látex o PVC, aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que
puede ser agua o aceite. Las piezas en verde obtenidas por este sistema tienen propiedades
uniformes e isótropas. Una de las principales ventajas de este método de compactación es la
alta relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas con respecto a la
compactación uniaxial. Es un método muy utilizado para la compactación de piezas
cerámicas.
Sinterizado
Consiste en el calentamiento en horno eléctrico o mufla con atmósfera controlada a una
temperatura en torno al 75% de la de fusión. En general, los hornos son continuos con tres
cámaras:
En la cámara de purga se consume el aire y se volatilizan los lubricantes y aglutinantes al
tiempo que se calienta lentamente el compactado.
En la cámara de alta temperatura se produce la unión de las partículas de compactado por
difusión en estado sólido.
En la cámara de enfriamiento se hace descender la temperatura del producto ya sinterizado.
En todo el proceso, es fundamental mantener una atmósfera controlada para evitar la rápida
oxidación de las pequeñas partículas metálicas al elevarse las temperaturas en presencia de
oxígeno. Para ello, se emplean atmósferas reductoras basadas en hidrógeno, amoníaco
disociado y nitrógeno.
Variantes: Prensado isostático en caliente (Hot Isostatic Pressing, HIP). La compactación y el
sinterizado se realizan en una única etapa encerrando herméticamente el polvo en un
recipiente flexible y exponiéndolo seguidamente a alta temperatura y presión. Los productos
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obtenidos por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas. Pueden obtenerse
valores elevados de densidad en las piezas debido a la baja porosidad residual que queda en
las piezas tras el proceso, con valores en muchos casos superiores al 99% de la densidad
teórica del material completamente denso (sin porosidad).
Por otro lado, también es posible, cuando desee realizarse algún mecanizado, realizar un pre
sinterizado del compactado de forma que pueda manipularse y mecanizarse sin dificultad.
Tras el sinterizado definitivo, el mecanizado posterior puede minimizarse e incluso eliminarse.
Si el sinterizado se efectúa durante un tiempo prolongado puede eliminarse los poros y el
material se hace más denso. La velocidad de sinterizado depende de la Temperatura, energía
de activación, coeficiente de difusión, tamaño de las partículas originales.
CONCLUSIONES El proceso de sinterizado se busca formación de micro soldaduras entre material
base.
El efecto de la presión aplicada en la compactación de los polvos es aumentar la
densidad y por lo tanto variar la propiedad de dureza del material.
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Existe pérdidas de material a causa de oxidaciones en el sinterizado pero estas
pérdidas son mínimas por ser localizadas de manera superficial y no en todo el
material.
Se podrán realizar piezas las cuales no impliquen que el material se distribuya
lateralmente(en forma perpendicular a la dirección de la carga)
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Bibliografía
LASHERAS SÁNCHEZ MARÍN.
o Tecnología de los Materiales Industriales. EDICIONES CEDEL.
http://www.utp.edu.co/~publio17/temas_pdf/pulvimet.pdf
http://kambry.es/Apuntes%20Web/Pulvimetalurgia.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Pulvimetalurgia
http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Powder_metallurgy
Tratamientos térmicos de los metales – Pere Molera Sola
Volumen 7, Powder Metal Technologies and Applications ASM,
International.
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