metalurgia de polvos

_{La tecnología de metalurgia de polvos permite la fabricación} de numerosos productos especiales. Una lista no exhaustiva incluye filamentos de Al₂O₃ _recubiertos con capas de óxido muy finas para mejorar la refracción; compactos de hierro con recubrimientos de Al₂O₃ para _mejorar la resistencia a la fluencia a altas temperaturas; filamentos de bombillas fabricados con tecnología de polvos; revestimientos para frenos de fricción; vidrios metálicos para películas y cintas de alta resistencia; escudos térmicos para la reentrada de naves espaciales en la atmósfera terrestre; contactos eléctricos para el manejo de grandes flujos de corriente; imanes ; ferritas de microondas ; filtros para gases; y cojinetes que pueden infiltrarse con lubricantes . ^{[ 12 ]}

Las películas extremadamente delgadas y las microesferas presentan una alta resistencia. Una aplicación de esta observación consiste en recubrir materiales frágiles en forma de filamentos con una película submicrométrica de un metal mucho más blando (por ejemplo, tungsteno recubierto de cobalto ). La tensión superficial de la capa delgada somete al metal más duro a compresión, de modo que, al sinterizarse todo el compuesto, la resistencia a la rotura aumenta notablemente. Con este método, se han observado resistencias del orden de 2,8  GPa frente a 550 MPa para carburos de tungsteno  recubiertos (25 % de cobalto) y sin recubrir, respectivamente . ^{[ 12 ]}

La atomización se logra forzando un chorro de metal fundido a través de un orificio a presiones moderadas. ^{[ 12 ]} Se introduce un gas en el chorro de metal justo antes de que salga de la boquilla, lo que crea turbulencia a medida que el gas arrastrado se expande (debido al calentamiento) y sale a un gran volumen de recolección fuera del orificio. ^{[ 12 ]} El volumen de recolección se llena con gas para promover una mayor turbulencia del chorro de metal fundido. ^{[ 12 ]} Los chorros de aire y polvo se separan mediante separación por gravedad o ciclónica . ^{[ 12 ]}

Existen técnicas de atomización sencillas en las que se fuerza un metal líquido a través de un orificio a una velocidad suficientemente alta para asegurar un flujo turbulento. El índice de rendimiento habitual es el número de Reynolds . A bajos valores de Re, el chorro de líquido oscila, pero a velocidades más altas, la corriente se vuelve turbulenta y se divide en gotas. La energía de bombeo se aplica a la formación de gotas con una eficiencia muy baja (del orden de1% ) y el control sobre la distribución del tamaño de las partículas metálicas producidas es bastante deficiente. Existen otras técnicas, como la vibración de la boquilla, la asimetría de la boquilla, los chorros de impacto múltiples o la inyección de metal fundido en el gas ambiente, que permiten aumentar la eficiencia de atomización, producir granos más finos y reducir la distribución del tamaño de las partículas. Desafortunadamente, es difícil expulsar metales a través de orificios de menos de unos pocos milímetros de diámetro, lo que en la práctica limita el tamaño mínimo de los granos de polvo a aproximadamente10  μm . La atomización también produce un amplio espectro de tamaños de partículas, lo que requiere una clasificación posterior mediante el cribado y la refundición de una fracción significativa del límite de grano. ^{[ 12 ]}

La desintegración centrífuga de partículas fundidas ofrece una solución a estos problemas. Existe una amplia experiencia con hierro, acero y aluminio. El metal que se va a pulverizar se moldea en forma de varilla, la cual se introduce en una cámara mediante un husillo que gira rápidamente. Frente a la punta del husillo se encuentra un electrodo que genera un arco eléctrico que calienta la varilla metálica. A medida que el material de la punta se funde, la rápida rotación de la varilla expulsa diminutas gotas fundidas que se solidifican antes de impactar contra las paredes de la cámara. Un gas circulante arrastra las partículas fuera de la cámara. Técnicas similares podrían emplearse en el espacio o en la Luna. La pared de la cámara podría girar para forzar la entrada de nuevos polvos en recipientes de recolección remotos, y el electrodo podría sustituirse por un espejo solar enfocado en el extremo de la varilla. ^{[ 12 ]}

Un método alternativo capaz de producir una distribución muy estrecha de tamaños de grano, pero con un bajo rendimiento, consiste en un recipiente giratorio que se calienta a una temperatura muy superior al punto de fusión del material a pulverizar. El metal líquido, introducido en la superficie del recipiente cerca del centro a caudales ajustados para permitir que una fina película metálica se deslice uniformemente por las paredes y el borde, se fragmenta en gotitas, cada una aproximadamente del grosor de la película. ^{[ 12 ]}

Otra técnica de producción de polvo implica un chorro delgado de metal líquido interceptado por corrientes de agua atomizada a alta velocidad que rompen el chorro en gotas y enfrían el polvo antes de que llegue al fondo del contenedor. En operaciones posteriores, el polvo se seca. ^{[ 12 ]} Esto se llama atomización con agua. ^{[ 17 ]} La atomización con agua enfría y solidifica las partículas de metal más rápidamente que la atomización con gas. ^{[ 17 ]} Dado que la velocidad de solidificación es inversamente proporcional al tamaño de partícula, se pueden hacer partículas más pequeñas usando la atomización con agua. ^{[ 18 ]} Cuanto más pequeñas sean las partículas, más homogénea será la microestructura. Las partículas producidas de esta manera también tendrán una forma más irregular ^{[ 17 ]} y la distribución del tamaño de partícula será más amplia. Además, puede ocurrir cierta contaminación superficial por la formación de una capa de oxidación. El polvo se puede reducir mediante algún tipo de tratamiento de preconsolidación, como el recocido utilizado para la fabricación de herramientas cerámicas.

La tecnología dominante para el conformado de productos a partir de materiales en polvo, tanto en términos de tonelaje como de número de piezas producidas, es el prensado en matriz. En el mercado existen prensas mecánicas, servoeléctricas e hidráulicas, siendo las hidráulicas las que procesan el mayor volumen de polvo. Esta tecnología de conformado comprende el siguiente ciclo de producción, que ofrece un proceso fácilmente automatizable y de alta productividad:

1. Llenado de la cavidad de la matriz con un volumen conocido de la materia prima en polvo , suministrada desde una boquilla de llenado.
2. Compactación del polvo dentro del molde con punzones para formar el compacto. Generalmente, se aplica presión de compactación mediante punzones desde ambos extremos del conjunto de herramientas para reducir el gradiente de densidad dentro del compacto.
3. Expulsión del compacto de la matriz, utilizando el/los punzón(es) inferior(es) de extracción de la matriz.
4. Retirada del compacto de la cara superior del molde mediante la zapata de llenado en la fase de llenado del siguiente ciclo, o mediante un sistema de automatización o un robot.

Normalmente, las herramientas se sostienen en posición vertical, con la herramienta de punzonado formando el fondo de la cavidad. ^{[ 20 ]} Probablemente, la consideración más básica sea poder retirar la pieza del troquel después de prensarla, además de evitar esquinas afiladas en el diseño. Se recomienda mantener el área superficial máxima por debajo de 20 pulgadas cuadradas (0,013 m² ⁾ y la relación altura-diámetro por debajo de 7:1. Además, se recomienda tener paredes más gruesas que 0,08 pulgadas (2,0 mm) y mantener las relaciones de espesor de pared adyacentes por debajo de 2,5:1. ^{[ 20 ]}  

Una de las principales ventajas de este proceso es su capacidad para producir geometrías complejas. Las piezas con socavados y roscas requieren una operación de mecanizado secundaria. Los tamaños típicos de las piezas varían de 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 cm²) a 20 pulgadas cuadradas (130 cm²) de ^área y de 0,1 ^a 4 pulgadas (0,25 a 10,16 cm) de longitud. Sin embargo, es posible producir piezas con un área inferior a 0,1 pulgadas cuadradas (0,65 ^cm² ) y superior a 25 pulgadas cuadradas (160 ^cm² ) de área y de una fracción de pulgada (2,54 cm) a aproximadamente 8 pulgadas (20 cm) de longitud. ^{[ 20 ]} Las prensas mecánicas pequeñas generalmente pueden compactar alrededor de 100 piezas por minuto. ^{[ 19 ]}       

En la compactación por troquelado, existen cuatro clases principales de herramientas: compactación de acción simple, utilizada para componentes delgados y planos; doble acción opuesta con dos movimientos de punzón, que se adapta a componentes más gruesos; doble acción con troquel flotante; y troquel de extracción de doble acción. Las herramientas de doble acción ofrecen una distribución de densidad mucho mejor que las de acción simple. El utillaje debe diseñarse para soportar la presión extrema sin deformarse ni doblarse. Las herramientas deben estar fabricadas con materiales pulidos y resistentes al desgaste. ^{[ 20 ]}

La consolidación por choque, o consolidación dinámica, es una técnica experimental para consolidar polvos mediante ondas de choque de alta presión. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Esta técnica es útil para productos de gran tamaño, incluyendo aquellos de más de 3000 toneladas y mayores de 100 pulgadas cuadradas. ^{[ 19 ]} Estos se producen comúnmente impactando la pieza de trabajo con una placa acelerada explosivamente. A pesar de haber sido investigada durante mucho tiempo, la técnica aún presenta algunos problemas de controlabilidad y uniformidad. Sin embargo, ofrece algunas ventajas potenciales valiosas. Por ejemplo, la consolidación ocurre tan rápidamente que se pueden retener microestructuras metaestables. ^{[ 23 ]}

La compactación isostática de polvo es un método alternativo de compactación de polvo. ^{[ 19 ]} En la compactación isostática en frío, las partículas metálicas finas se colocan en un molde flexible, que luego se sumerge en un gas o líquido a alta presión desde todas las direcciones (isostático). ^{[ 19 ]} Después de la sinterización, este proceso de fabricación produce muy poco metal de desecho y se puede utilizar para hacer muchas formas diferentes. Las tolerancias que este proceso puede lograr en combinación con la sinterización son muy precisas, que van desde +/- 0,008  pulgadas (0,2  mm) para las dimensiones axiales y +/- 0,020  pulgadas (0,5  mm) para las dimensiones radiales. Este es el tipo más eficiente de compactación de polvo (las siguientes subcategorías también son de esta referencia). ^{[ 20 ]} Esta operación generalmente solo es aplicable a pequeñas cantidades de producción, y aunque el costo de un molde es mucho menor que el de los troqueles de prensado, generalmente no es reutilizable y el tiempo de producción es mucho más largo. ^{[ 24 ]} Las tasas de producción suelen ser muy bajas, pero se pueden compactar eficazmente piezas que pesen hasta 100 libras. ^{[ 19 ]} Debido a que la presión se aplica desde todas las direcciones, se requieren presiones de compactación más bajas para producir mayores densidades de polvo en el producto final. ^{[ 19 ]}

Las presiones de compactación varían de 15 000 psi (100 000 kPa ) a 40 000 psi (280 000 kPa) para la mayoría de los metales y aproximadamente de 2000 psi (14 000 kPa) a 10 000 psi (69 000 kPa) para los no metales. ^{[ 20 ]} La densidad de las piezas compactadas isostáticamente es entre un 5 % y un 10 % mayor que con otros procesos de metalurgia de polvos. ^{[ 20 ]} Los tamaños típicos de las piezas varían de 0,25 pulg (6,35 mm) a 0,75 pulg (19,05 mm) de espesor y de 0,5 pulg (12,70 mm) a 10 pulg (254 mm) de largo. Es posible compactar piezas de trabajo que tengan entre 0,0625 pulgadas (1,59 mm) y 5 pulgadas (127 mm) de espesor y entre 0,0625 pulgadas (1,59 mm) y 40 pulgadas (1016 mm) de longitud. ^{[ 20 ]}                        

Las ventajas sobre la compactación de polvo estándar son la posibilidad de obtener paredes más delgadas y piezas de mayor tamaño. La relación altura-diámetro no tiene limitaciones. No existen limitaciones específicas en cuanto a variaciones de espesor de pared, socavados , relieves, roscas y orificios transversales. No se necesitan lubricantes para la compactación isostática de polvo. El espesor mínimo de pared es de 0,05  pulgadas (1,27  mm) y el producto puede tener un peso de entre 40 y 300 libras (18 y 136  kg). Se produce una contracción del 25 al 45 % del polvo después de la compactación. ^{[ 20 ]}

Las herramientas isostáticas están disponibles en tres estilos: molde libre (bolsa húmeda), molde grueso (bolsa húmeda) y molde fijo (bolsa seca). El estilo de molde libre es el estilo tradicional de compactación isostática y generalmente no se utiliza para trabajos de alta producción. En el molde libre, el molde se retira y se llena fuera del recipiente. En la bolsa húmeda, el molde se encuentra dentro del recipiente, pero se llena externamente. En el molde fijo, el molde está contenido dentro del recipiente, lo que facilita la automatización del proceso. ^{[ 20 ]}

La mayoría de los hornos de sinterización contienen tres zonas con propiedades diferentes que ayudan a llevar a cabo los seis pasos descritos anteriormente. La primera zona, comúnmente denominada etapa de combustión o purga, está diseñada para quemar el aire, eliminar contaminantes como lubricantes o aglutinantes y elevar lentamente la temperatura de los materiales compactos. Si la temperatura de las piezas compactas aumenta demasiado rápido, el aire en los poros estará a una presión interna muy alta, lo que podría provocar la expansión o fractura de la pieza. La segunda zona, conocida como etapa de alta temperatura, se utiliza para producir difusión en estado sólido y unión de partículas. El material busca reducir su energía superficial y lo hace moviéndose hacia los puntos de contacto entre las partículas. Los puntos de contacto se agrandan y, finalmente, se crea una masa sólida con poros pequeños. La tercera zona, también llamada período de enfriamiento, se utiliza para enfriar las piezas en una atmósfera controlada. Esta zona es importante, ya que evita la oxidación por contacto directo con el aire o un fenómeno conocido como enfriamiento rápido. Las tres etapas deben llevarse a cabo en una atmósfera controlada sin oxígeno. El hidrógeno, el nitrógeno, el amoníaco disociado y los hidrocarburos craqueados son gases comunes que se bombean a las zonas del horno para proporcionar una atmósfera reductora , evitando la formación de óxidos. ^{[ 6 ]}

El prensado isostático en caliente (HIP) comprime y sinteriza la pieza simultáneamente ^{[ 12 ]} aplicando calor del orden de 2300  °F (1250  °C), en el caso del hierro, o 2750  °F (1500  °C) en el caso de las aleaciones de níquel. ^{[ 19 ]} Este procedimiento, junto con las técnicas de compresión impulsadas por explosión, se utiliza ampliamente en la producción de piezas de alta temperatura y alta resistencia, como discos de turbina para motores a reacción. ^{[ 12 ]} En la mayoría de las aplicaciones de la metalurgia de polvos, el compacto se prensa en caliente, calentándose a una temperatura por encima de la cual los materiales no pueden permanecer endurecidos por deformación. ^{[ 12 ]} El prensado en caliente reduce las presiones necesarias para reducir la porosidad y acelera los procesos de soldadura y deformación de grano. ^{[ 12 ]} También permite un mejor control dimensional del producto, disminuye la sensibilidad a las características físicas de los materiales de partida y permite comprimir el polvo a densidades más altas que con el prensado en frío, lo que resulta en una mayor resistencia. ^{[ 12 ]} Los aspectos negativos del prensado en caliente incluyen una vida útil más corta del molde, un rendimiento más lento debido al calentamiento del polvo y la necesidad frecuente de atmósferas protectoras o vacío simple durante las etapas de conformado y enfriamiento. ^{[ 12 ] [ 19 ]}

El proceso HIP produce productos que suelen ser de mayor calidad que otros procesos. ^{[ 19 ]} Sin embargo, el HIP es costoso y generalmente poco atractivo para la producción en grandes volúmenes, debido al alto costo de colocar el polvo en un medio aislante flexible que pueda soportar las temperaturas y presiones ( enlatado ) y luego retirarlo de ese medio ( desenlatado ), así como a los largos períodos de tiempo que implica, que pueden oscilar entre 6 y 8 horas. ^{[ 19 ]}

Estas técnicas emplean corrientes eléctricas para impulsar o mejorar la sinterización. ^{[ 26 ]} Una combinación de presión mecánica y corriente eléctrica, aplicada a través del polvo o del recipiente, reduce significativamente el tiempo de sinterización en comparación con las soluciones convencionales. ^{[ 26 ]} Existen muchas clasificaciones de estas técnicas, pero se pueden dividir en dos categorías principales: técnicas de sinterización por resistencia, que aplican voltajes y corrientes más bajos y tardan entre diez segundos y diez minutos; y sinterización por descarga eléctrica, que utilizan bancos de condensadores para lograr corrientes y voltajes más altos, y tardan entre decenas de microsegundos y decenas de milisegundos. ^{[ 26 ]} Las técnicas de sinterización por resistencia incluyen la sinterización por plasma de chispa (SPS), la sinterización activada por plasma (PAS) y la sinterización por corriente eléctrica pulsada (PECS). ^{[ 27 ]} Las técnicas de sinterización por descarga eléctrica incluyen la sinterización por descarga de condensador . ^{[ 27 ]} Actualmente, la sinterización por plasma de chispa es el método más utilizado de consolidación por pulso eléctrico en general. ^{[ 27 ]}

Las corrientes de sinterización por resistencia suelen alcanzar aproximadamente 1 kA por centímetro cuadrado, mientras que los voltajes de sinterización por descarga eléctrica de hasta varios kilovoltios también requieren corrientes muy altas, superiores a 10 kA por centímetro cuadrado. ^{[ 27 ]} Las técnicas de sinterización por resistencia son métodos de consolidación basados ​​en la temperatura, donde el calentamiento del molde y de los polvos se realiza mediante corrientes eléctricas, generalmente con un tiempo de procesamiento característico de 15 a 30 minutos. Por otro lado, los métodos de sinterización por descarga eléctrica se basan en corrientes de alta densidad (de 0,1 a 1 kA/mm ² ) para sinterizar directamente polvos conductores de electricidad, con un tiempo característico de entre decenas de microsegundos y cientos de milisegundos.

En un proceso de compresión simple, el polvo fluye desde un contenedor hacia un canal de doble pared y se comprime repetidamente en vertical mediante un punzón horizontal fijo. Tras retirar la masa comprimida de la cinta transportadora, la masa compactada se introduce en un horno de sinterización. Un método aún más sencillo consiste en pulverizar el polvo sobre una cinta transportadora y sinterizarlo sin compresión. Sin embargo, resulta difícil encontrar buenos métodos para retirar materiales prensados ​​en frío de cintas transportadoras. Una alternativa que evita por completo la dificultad de retirar la cinta es la fabricación de láminas metálicas mediante cilindros hidráulicos opuestos , aunque pueden aparecer líneas de debilidad en la lámina durante las sucesivas operaciones de prensado. ^{[ 12 ]}

Los polvos también se pueden laminar para producir láminas. El metal en polvo se introduce en un laminador de dos rodillos ^{[ a ]} y se compacta en forma de tira a una velocidad de hasta 100 pies por minuto (0,5 m/s) . La tira se sinteriza y se somete a otro laminado y posterior sinterizado. El laminado se utiliza comúnmente para producir láminas de metal para componentes eléctricos y electrónicos, así como para monedas . También se ha trabajado considerablemente en el laminado simultáneo de múltiples capas de diferentes materiales para formar láminas. ^{[ 12 ]} 

Los procesos de extrusión son de dos tipos generales. En un tipo, el polvo se mezcla con un aglutinante o plastificante a temperatura ambiente; en el otro, el polvo se extruye a temperaturas elevadas sin refuerzo. Las extrusiones con aglutinantes se utilizan ampliamente en la preparación de compuestos de carburo de tungsteno. Se fabrican tubos, secciones complejas y brocas helicoidales en longitudes y diámetros extendidos que varían en el rango de 0,5 a 300 mm (0,020 a 11,811 pulg .) . Se han obtenido alambres de metal duro de 0,1 mm (0,0039 pulg.) de diámetro a partir de material en polvo. En el extremo opuesto, pueden ser factibles grandes extrusiones en base a toneladas. ^{[ 12 ]}    

Para metales más blandos y fáciles de conformar, como las aleaciones de aluminio y cobre, también se puede realizar la extrusión continua mediante procesos como la extrusión rotativa continua o la extrusión conformada. Estos procesos utilizan una rueda giratoria con una ranura alrededor de su circunferencia para impulsar el polvo suelto a través de una matriz de conformado. Mediante una combinación de alta presión y una trayectoria de deformación compleja, las partículas de polvo se deforman, generan una gran cantidad de calor por fricción y se unen para formar un sólido compacto. Teóricamente, es posible un funcionamiento totalmente continuo siempre que se pueda alimentar el polvo al proceso. ^{[ 28 ]}

Aparentemente no existe limitación en la variedad de metales y aleaciones que se pueden extruir, siempre que las temperaturas y presiones involucradas estén dentro de las capacidades de los materiales de la matriz. ^{[ 12 ]} Las longitudes de extrusión pueden variar de 3 a 30  m ^{[ 29 ]} y los diámetros de 0,2 a 1  m. Las prensas modernas son en gran medida automáticas y operan a altas velocidades (del orden de m/s). ^{[ 12 ]}

Se sabe que los polvos de aluminio causan fibrosis pulmonar en personas que trabajan con ellos en plantas de fabricación. ^{[ 31 ]} Según los CDC, los trabajadores expuestos a grandes cantidades de aluminio pueden presentar otros problemas pulmonares y radiografías de tórax anormales. Algunos trabajadores también han mostrado un rendimiento reducido en pruebas neurológicas. ^{[ 32 ]} La exposición al aluminio puede irritar la piel y los ojos.

El polvo de aluminio también es altamente inflamable.

Además de los riesgos inherentes al propio polvo metálico, existen muchos otros peligros durante el proceso de producción.