Tema 4: La compactación uniaxial

Transcripción

1 Tema 4: La compactación uniaxial Contexto de la tecnología Fundamentos teóricos Tecnología de la compactación uniaxial Ciclos de compactación Tipos de compactación uniaxial Consideraciones de diseño Defectos de los compactos en verde Prensas Compactación uniaxial para conseguir altas densidades 1

2 Contexto de la tecnología Fundamentos teóricos Tecnología de la compactación uniaxial Ciclo de compactación Tipos de compactación uniaxial Consideraciones de diseño Defectos de los compactos en verde Prensas Compactación uniaxial para conseguir alta densidad Compactación de polvos precalentados (warm compaction) Compactación por ondas de impacto (high velocity compaction HVC-) Comparativa de procesos 2

3 Compactación uniaxial: contexto de la tecnología La compactación uniaxial es un proceso de conformado de polvos en el que la presión se transmite a la masa de polvos en una única dirección. Esta circunstancia conlleva algunas limitaciones (tamaño, forma) en la pieza final que puede obtenerse, pero abre la posibilidad de establecer procesos de tipo semicontínuo, abaratando el producto final. Es decir, el contexto de la tecnología es el de piezas de pequeño tamaño, gran complejidad en una de sus direcciones y grandes series de producción. 3

4 Compactación uniaxial: contexto de la tecnología ventajas del proceso desventajas 4

5 Compactación uniaxial: fundamentos teóricos Contexto de la tecnología Fundamentos teóricos Tecnología de la compactación uniaxial Ciclo de compactación Tipos de compactación uniaxial Consideraciones de diseño Defectos de los compactos en verde Prensas Compactación uniaxial para conseguir alta densidad Compactación de polvos precalentados (warm compaction) Compactación por ondas de impacto (high velocity compaction HVC-) Comparativa de procesos 5

6 Compactación uniaxial: fundamentos teóricos. Φ Si se aplica presión, de forma uniaxial, a partículas confiandas en una matriz, se obtiene una curva densidad/presión, llamada de compresibilidad Höganäs AB, PM School, La pendiente decrece al aumentar P y la densidad teórica no se alcanza 6

7 Fundamentos teóricos Relación entre porosidad/densidad Fe CIP Höganäs AB, PM School, Por qué no se puede alcanzar la densidad teórica? Al aumentar la P se produce un endurcimiento por deformación σ y Simultáneamente, los puntos de contacto entre las partículas las fuerzas de cizalladura efectivas dentro del compacto. Como P comp =cte, el esfuerzo de cizalladura decreciente se encontrará con un límite elástico en aumento; cuando esto suceda el proceso de densificación se detendrá. 7

8 Fundamentos teóricos Debido a la fricción entre las paredes del molde y la circunferencia del compacto, la presión axial se reduce exponencialmente con la distancia al punzón en movimiento. σ ( x) a = σ (0) e a 2µ x r Se puede formar una zona neutra de menor densidad-. Especialmente problemático para piezas con paredes altas y finas. La densidad cambia según nos alejamos del punzón desde el que se aplica presión Höganäs AB, PM School, 8

9 La compactación uniaxial Contexto de la tecnología Fundamentos teóricos Tecnología de la compactación uniaxial Ciclo de compactación Tipos de compactación uniaxial Consideraciones de diseño Defectos de los compactos en verde Prensas Compactación uniaxial para conseguir altas densidades Compactación de polvos precalentados (warm compaction) Compactación por ondas de impacto (high velocity compaction HVC-) Comparativa de procesos 9

10 Tecnología de la compactación uniaxial: el ciclo de compactación 1. Llenado del molde 2. Transferencia del polvo 3. Compactación del polvo Deformación elástica Deformación plástica Unión en frío de las partículas de polvo 4. Eyección de la probeta en verde 10

11 Tecnología de la compactación uniaxial: el ciclo de compactación INCREMENTO DE LA PRESIÓN Höganäs AB, PM School, 11

12 Tecnología de la compactación uniaxial: el ciclo de compactación Ciclo de compactación de una pieza simple Höganäs AB, PM School, 12

14 Tipos de prensado uniaxial Prensado de simple efecto 14 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

15 Tipos de prensado uniaxial Prensado de doble efecto 15 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

16 Tipos de prensado uniaxial REFERENCIA Simple efecto con matriz flotante 16 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

17 Tipos de prensado uniaxial Tres formas de obtener doble compactación simétrica 1. Matriz estacionaria, dos punzones móviles 2. Punzón inferior estacionario y matriz flotante. Höganäs AB, PM School, 3. Punzón inferior estacionario, y la matriz se retrae a mitad de velocidad que el punzón superior. 17

19 Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño. 1. Todas las partes del interior de la matriz deben rellenarse con la cantidad exacta de polvos. 2. La densidad del compacto debe ser lo mas homogénea posible. 3. En todas las zonas del interior de la matriz, la densificación de los polvos debe producirse de forma simultánea, con el fin de asegurar una unión suficiente entre las partes adyacentes. 4. El compacto se debe retirar del utillaje de compactación sin sufrir daños. 19

20 Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño. PM COMO SUMA DE PRISMAS 20 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

21 Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño. 21 FORMA EXTERIOR = FORMA DE LA MATRIZ "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

22 Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño. RELACIÓN ALTURA/DIÁMETRO. No se pueden hacer paredes estrechas. Una pared se considera estrecha si: H/espesor >6 Si espesor <0,8 mm 22 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

23 Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño. DIMENSIONES: Máxima sección: cada cm 2 de área proyectada, requiere una fuerza de prensado de 5-6 toneladas. Máxima altura: la condicionan el utillaje, coeficientes de fricción, densidades... Normalmente < 75 mm. 23

24 Tecnología de la compactación uniaxial: consideraciones de diseño. Diseño de piezas: Tolerancias Dirección perpendicular a la dirección de prensado: IT9 (IT8 excepcionalmente) (Por calibrado se gana una unidad IT) Distancia entre centros de agujeros paralelos a la dirección de prensado: IT8 + 0,03 Planitud: Paralelismo: 0,0015 x D (D = máxima dimensión) 0,002 x D (D = máxima dimensión) Perpendicularidad: 0,002 x D (D = máx. dim.) Redondez: (IT8-10)/2 24

26 Defectos de los compactos en verde Defectos más importantes Grietas Faltas de material Causas Exceso de lubricante Mala extracción (fuerza, diseño, ) Mal diseño de la pieza (relación altura diámetro) Mal diseño de los materiales del utillaje. Manipulación inadecuada Mal diseño de matriz (huecos) Grietas próximas a la superficie. 26

27 Defectos de los compactos en verde Llenado del molde Distribución de TP adecuada Secciones menores >> que el tamaño de la partícula mas grande. Se debe tener cuidado cuando se llenan secciones delgadas. Puede bloquearse material puentes Secciones mínimas de a 1mm si son menores hay riesgo de sergregaciones Höganäs AB, PM School, 27

28 Defectos de los compactos en verde Presión de punzones BAJA puede causar un flujo de polvo que origina la aparición de grietas al final del ciclo de prensado 28 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

29 Defectos de los compactos en verde Presión de punzones ALTA puede causar un flujo de polvo desde las zonas de mayor P a las de menor y originar la aparición de grietas. 29 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

30 Defectos de los compactos en verde Los distintos niveles de recuperación elástica en cada punzón pueden originar grietas al cesar la presión en los punzones superiores Densificación Simultánea 30 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

31 Defectos de los compactos en verde Problemas potenciales durante la liberación de la carga Retirada del punzón superior P a ~0 expansión axial elástica Si existen varios punzones, la expansión será diferente y pueden provocar fracturas. Se pueden formar grietas σ a ~0 debido a diferentes expansiones de los punzones. Solución: Mantener una contrafuerza hasta que la pieza se ha expulsado. Höganäs AB, PM School, 31

32 Defectos de los compactos en verde Problemas potenciales durante la expulsión por mal diseño de la matriz La recuperación elástica obliga a que la salida del molde tenga conicidad y que el borde superior tenga un radio. Höganäs AB, PM School, 32

34 Prensas Ahorro en coste Nº piezas/min (600 piezas/min) MECÁNICAS HIDRÁULICAS Fuerza y velocidad 34 "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

35 Prensas PRENSAS MECÁNICAS Prensado rápido VENTAJAS DESVENTAJAS Complejidad de las piezas limitada. Tamaños pequeños. PRENSAS HIDRÁULICAS VENTAJAS Libertad para geometrías más complejas. Tamaños grandes. DESVENTAJAS Ciclo de prensado lento 35

37 Compactación de polvos precalentados -WC La forma de mejorar las propiedades mecánicas con prensado uniaxial de aleaciones férreas 1. Mezcla lista para prensar. 2. Precalentamiento del polvo (130 ºC). 3. Prensado con matrices calientes (150 ºC). 4. Mecanizado en verde. 5. Sinterización Höganäs AB, PM School, 37

38 Compactación de polvos precalentados Cómo afecta la T a la ε permanente? Fe + 1.5% Mo Fe 250 Límite elástico (MPa) Temperatura ( C) Höganäs AB, PM School, 38

39 3. Ventajas del warm compaction Mejora de las propiedades en verde. El aumento de la resistencia en verde permite el mecanizado en verde. La distribución de densidades más homogénea mejora la fiabilidad y las tolerancias. El incremento de densidad produce una mejora de las propiedades mecánicas. El menor tamaño de los poros, y su forma redondeada mejora las propiedades dinámicas. Provoca menores variaciones dimensionales menores (...recuperación elástica!). El proceso en su conjunto es más barato a igualdad de prestaciones 39

41 Compactación por ondas de impacto Altas densidades en verde. Alta productividad. Menores variaciones dimensionales. Geometría limitada. La densificación se controla con la energía de impacto. Martillo M=115 kg. v= 10 m/s Compactación por ondas de impacto Polvo a compactar Punzones Matriz Base Esquema de la Máquina de Impacto Hydropulsor HYP35-4-Höganäs AB 41

42 Compactación por ondas de impacto Mejora de las propiedades en verde. El aumento de la resistencia en verde permite el mecanizado en verde. Distribución de densidades homogénea El incremento de densidad produce una mejora de las propiedades mecánicas. Provoca menores variaciones dimensionales menores (...recuperación elástica!). Alta productividad: El proceso en su conjunto es más barato a igualdad de prestaciones. Piezas más grandes. 42

44 Compactación uniaxial. Comparativa de procesos 200% Forja P. Co oste Relativo 175% 150% 125% 100% 1P1S WC 2P2S HVC (P1S1) HVC (P2S2) 75% 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 Paul Skoglund, MPIF Advances in High Density seminar October, Cleveland, OH USA Densidad (g/cm 3 ) 44

45 Compactación uniaxial. Comparativa de procesos %Rel. densida ºC 1250ºC 1P1S WC 2P2S HVC 2HVC P. FORGING Höganäs AB, PM School, 45