DIFERENTES ASPECTOS DE LA METALURGIA DE LOS POLVOS Autor: Sebastián Díaz Becerro. 1. INTRODUCCIÓN La pulvimetalurgia o metalurgia de los polvos es un proceso de obtención de objetos metálicos mediante el prensado de metales en forma de polvo muy fino en moldes adecuados y su posterior calentamiento por debajo de la temperatura de fusión. Las piezas fabricadas con este método se caracterizan por una gran precisión en la forma (obtenible con frecuencia sin necesidad de tratamiento posterior, incluso en el caso de complicadas formas geométricas) y por una gran diversidad de aleaciones específicas, así como por sus muy diferentes grados de densidad, que abarcan desde aleaciones muy porosas hasta muy densas. Este proceso de conformación se ha afianzado durante las últimas décadas como un método alternativo de fabricación de pequeños componentes metálicos. Con él es posible producir pequeñas y complejas formas de materiales como metales, cerámicos, composites y componentes metálicos. Se han fabricado numerosas aplicaciones en sectores industriales como los de automoción, químicos, aeroespaciales, hardware de ordenadores, biomedicina y armamento militar. Ejemplos de ello son: cojinetes sinterizados autolubricantes, filtros sinterizados, materiales de fricción, piezas moldeadas por inyección de gran complejidad, metales duros sinterizados para herramientas de corte y piezas de desgaste con capas adicionales de materiales duros, herramientas de diamante de extrema dureza, etc. Un área que progresa con fuerza es el de la fabricación de componentes de aluminio de alto rendimiento. También sigue creciendo la fabricación de imanes, lo que ha posibilitado grandes mejoras en el campo de las telecomunicaciones, el de control y regulación, el de medición, diagnóstico médico y el de construcción de vehículos. Este sector de la pulvimetalurgia se encuentra en los últimos tiempos bajo una gran presión debido al fuerte aumento del precio de las materias primas y de la energía. 2. PRINCIPALES OPERACIONES EN LA METALURGIA DE POLVOS El proceso de manera general consiste en: 1. Producción de los polvos metálicos. 1
2. Mezclado de los metales obtenidos. 3. Compactado de las piezas por medio de prensas. 4. Sinterizado de las piezas. 5. Tratamientos térmicos. Además de estas operaciones, otras pueden agregarse dependiendo de la aplicación, tales como: presinterizado, selección de tamaño, maquinado e impregnación. 2.1 Producción de los polvos metálicos Existen diferentes formas de producir polvos metálicos dependiendo de las características físicas y químicas de los metales utilizados. Existe una relación muy clara entre un método específico de producción de polvo y las propiedades que se obtienen en el proceso final. Se utilizan muchos métodos mecánicos y químicos con el fin de producir polvos para aplicaciones específicas, pero los métodos más importantes son la pulverización, la reducción de óxidos y la depositación electrolítica. La pulverización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en aire o en agua. Es el método más utilizado para metales que tienen bajos puntos de fusión, como estaño, plomo, zinc, cadmio y aluminio. Conforme el metal líquido se fuerza a través de un pequeño orificio, una corriente de aire comprimido hace que el metal se desintegre y solidifique en partículas finamente divididas. Los productos pulverizados suelen estar en la forma de partículas esféricas. Un amplio intervalo de distribuciones de tamaño de la partícula puede obtenerse variando la temperatura del metal, la presión y la temperatura del gras de atomización, la rapidez del flujo del metal a través del orificio, y el diseño del orificio y el inyector. La principal ventaja del método de pulverización es su flexibilidad; puede producir polvos de diferente grado de finura, y en la producción de una finura dada, la uniformidad de la distribución de tamaño de la partícula puede mantenerse estrechamente. La reducción de óxidos proporciona un método adecuado, económico y flexible de producir polvos. El volumen más grande de polvo metalúrgico se hace mediante este método. Los óxidos producidos en acerías se reducen con monóxido de carbono o hidrógeno, y el polvo reducido se esmerila más tarde. La naturaleza, el tamaño de la partícula, la distribución de la materia y las condiciones de reducción influyen bastante en la forma de las partículas depositadas. Si el polvo de óxido se clasifica antes que la reducción, se puede obtener un alto grado de uniformidad de tamaño en el polvo reducido. Las partículas producidas por este método son de estructura esponjosa e ideales para moldear. La forma es generalmente mellada e irregular y las partículas son porosas. Este es el único método práctico disponible para producir polvos de metales refractarios, como tungsteno y molibdeno. La reducción de óxido es también un método económico para producir polvos de hierro, níquel, cobalto y cobre. El método de la electrolisis es más adecuado para producir polvos muy puros, principalmente hierro y cobre. En este proceso se deposita el polvo metálico. Consiste en la inmersión del metal a pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los tanques actúan como cátodos, el hierro o metal a pulverizar se mueve de los ánodos hacia los cátodos depositándose como un polvo fino que puede posteriormente utilizarse con facilidad. Mediante la regulación de la corriente eléctrica, de la temperatura y de la circulación y adecuada selección del electrólito, el polvo que se obtiene es el adecuado. El depósito obtenido puede ser una sustancia suave y esponjosa, esmerilada posteriormente hasta obtener un polvo, o ser un metal duro y frágil. Los polvos obtenidos de depósitos duros y frágiles generalmente no son 2
adecuados para propósitos de moldeo. La mayoría del polvo producido por depositación electrolítica para aplicaciones comerciales es del tipo esponjoso. La forma de polvo electrolítico suele ser dendrítica. Aunque el polvo resultante tiene baja densidad aparente, la estructura dendrítica tiende a dar buenas propiedades de moldeo, debido a la intersujeción de las partículas durante el compactado. Otros métodos para la obtención de los polvos de metal son: - Molido. Es un procedimiento mecánico. Se realiza solamente con los metales frágiles, como el manganeso o el cromo, pues los metales dúctiles se aglutinan. Se emplean molinos de martillos de o de bolas, y aun mejor especiales, como el compuesto de dos hélices opuestas que provocan el choque de las dos corrientes gaseosas que transportan las partículas a moler. De todas formas, la molienda es un procedimiento de bajo rendimiento y sólo se emplea como método complementario de otros procedimientos. - Atomización. Es un procedimiento mecánico. Se realiza dirigiendo un chorro fundido del metal sobre un disco, que gira a gran velocidad, provisto en su superficie de cuchillas metálicas, que fragmentan el chorro de metal. - Descomposición térmica. Es un procedimiento físico-químico. La descomposición térmica de los carbonilos obtenidos haciendo pasar óxidos de carbono sobre un metal esponjoso a la presión y la temperatura adecuada produce polvos muy puros, esféricos y de gran finura. Pero por el elevado precio a que resulta este procedimiento, sólo se aplica a fabricaciones muy especiales, como la de imanes de hierro y níquel. - Corrosión intercristalina. La corrosión intercristalina se emplea con los aceros austeníticos del tipo 18-8, cargados voluntariamente de carbono, para que a la temperatura de recocido de 500 a 750 ºC se produzca una importante precipitación de carburos en los bordes de los granos. Después se ataca el acero con una solución de sulfato de cobre y acido sulfúrico, que disuelve los carburos formados. Y finalmente se elimina el cobre depositado sobre los granos, con un lavado de ácido nítrico. Este procedimiento se utiliza para la producción de piezas sinterizadas de acero inoxidable. 2.2 Mezclado de los polvos obtenidos Esta operación es esencial para la uniformidad del producto terminado. La distribución del tamaño de la partícula deseada se obtiene combinando de antemano los diferentes tipos de polvos utilizados. Los polvos de aleación, los lubricantes y los agentes de volatilización para dar una cantidad de porosidad deseada se agregan a los polvos combinados durante el mezclamiento. El tiempo para mezclamiento puede variar desde unos pocos minutos hasta varios días, dependiendo de la experiencia y de los resultados deseados. El sobremezclamiento debe evitarse en muchos casos, ya que pude disminuir el tamaño de la partícula y endurecer por trabajado las partículas. 2.3 Compactado Esta es la operación más importante dentro de la metalurgia de los polvos. La densidad obtenida condiciona la viabilidad de la pieza obtenida. La mayor parte del compactado se hace en frío, aunque hay algunas aplicaciones para las cuales los comprimidos se presionan en caliente. El propósito del compactado es consolidar el polvo en la forma deseada y tan cerca como sea posible de las dimensiones finales, teniendo en cuenta cualquier cambio dimensional que resulte del sinterizado; el compactado se ha diseñado también para 3
impartir el nivel y tipo de porosidad deseado y proporcionar una adecuada resistencia para la manipulación. Las técnicas de compactado pueden clasificarse en dos tipos: a) técnicas de presión, como troquel, isostática, formado de alta energía-rapidez, forjado, extrusión, vibratoria y continua, y b) técnicas sin presión, como proceso de suspensión gravedad y continua. 2.4 Sinterizado El proceso de sinterizado se efectúa generalmente a una temperatura inferior a la del constituyente de más alto punto de fusión. En algunos casos, la temperatura es suficientemente alta para formar un constituyente líquido, como en la manufactura de carburos cementados, en que el sinterizado se hace por encima del punto de fusión del metal cementador. En otros casos, no tiene lugar la fusión de ninguno de los constituyentes. Los hornos de sinterizado pueden ser del tipo de resistencia eléctrica o del tipo de encendido por gas. Es necesario controlar estrechamente la temperatura para minimizar las variaciones en las dimensiones finales. La temperatura muy uniforme y precisa del horno eléctrico lo hace más adecuado para este tipo de trabajo. Debe evitarse la formación de películas superficiales indeseables, tales como óxidos, que afecta grandemente al enlace entre las partículas. Esto puede conseguirse mediante el empleo de una atmósfera protectora controlada. Otra función de la atmósfera es reducir tales películas si están presentes en los polvos antes de mezclar y aglomerar. La atmósfera protectora no debe contener ningún oxígeno libre y debe ser neutral o reductora respecto al metal que va a sinterizarse. Una atmósfera seca de hidrógeno se utiliza en el sinterizado de carburos refractarios y contactos eléctricos, pero la mayoría de las atmósfera comerciales de sinterizado se producen por la combustión parcial de varios hidrocarburos. El gas natural o propano se emplea a menudo para este propósito. El sinterizado es esencialmente un proceso de enlazar cuerpos sólidos por fuerzas atómicas. Las fuerzas de sinterizado tienden a disminuir con el aumento de temperatura, pero todas las obstrucciones al sinterizado (como el contacto superficial incompleto, la presencia de películas superficiales y la falta de plasticidad) disminuirán más rápidamente con el aumento de la temperatura. Por tanto, las temperaturas elevadas tienden a favorecer el proceso de sinterizado. Cuanto mayor sea el tiempo de calentamiento o la temperatura, mayores serán el enlace entre la película y la resistencia tensil resultante. A pesar del mucho trabajo experimental y teórico sobre los aspectos fundamentales del sinterizado, todavía hay mucho del proceso que no se entiende. El proceso de sinterizado empieza con el enlace entre las partículas conforme el material se calienta. El enlace incluye la difusión de átomos donde hay contacto íntimo entre partículas adyacentes que dan lugar al desarrollo de fronteras de grano. Esta etapa origina un incremento en resistencia y dureza relativamente grande, aún después de breves exposiciones a elevada temperatura. Durante la siguiente etapa, las áreas de enlace recientemente formadas, llamadas cuellos, crecen en tamaño, seguidas por un redondeamiento de los poros. La última etapa es el encogimiento y la eventual eliminación del poro. Esta etapa rara vez se completa, ya que las temperaturas y los tiempos necesarios son demasiado imprácticos. 4
2.5 Tratamientos térmicos Dependiendo de la aplicación, el comprimido sinterizado puede tratarse térmicamente para obtener ciertas propiedades deseables. El tratamiento térmico puede ser de liberación de esfuerzos o de recocido. Las aleaciones no ferrosas de composiciones adecuadas pueden endurecerse por envejecido, en tanto que los aceros pueden establecerse por temple o superficialmente por carburación, cianuración o nitruración. Se pueden llevar a cabo diversas operaciones para completar la manufactura de las piezas hechas de polvo de metal. Estas operaciones incluyen maquinado, cizallamiento, escariado, pulido, enderezamiento, eliminación de rebabas, esmerilado y limpiadura por chorro de arena. Los revestimientos superficiales protectores pueden aplicarse por electrodepositación, metalizado y otros métodos. De los diversos métodos de enlace, sólo la soldadura fuerte se ha utilizado extensamente para los productos de la pulvimetalurgia. La impregnación es el medio más común para llenar los poros internos en el comprimido sinterizado. Esto se lleva a cabo principalmente para mejorar las propiedades de antifricción, como en los cojinetes autolubricables. 3. CARACTERÍSTICAS DE LOS POLVOS DE METAL Las características básicas del polvo metálico condicionan de forma notable el comportamiento de este durante el procesamiento, así como las propiedades del producto terminado. Estas características básicas son: la composición química, la pureza, el tamaño de la partícula y la distribución del tamaño, la forma y la microestructura de la partícula y la densidad aparente. La distribución del tamaño de la partícula es importante en el empaquetamiento del polvo e influirá en su comportamiento durante el moldeado y el sinterizado. En la práctica, la selección de una distribución de tamaño para una aplicación concreta se basa en la experiencia. En general, se prefiere un polvo más fino sobre un polvo más grueso, ya que los metales más finos tienen menores tamaños de poros y mayores áreas de contacto, lo cual lleva generalmente a mejores propiedades físicas después de sinterizar. La distribución del tamaño de la partícula se especifica en términos de un análisis de cribado, o sea, la cantidad de polvo que pasa a través de mallas de números 100, 200, etc. Es obvio que el análisis de cribado dará resultados significativos, considerando el tamaño y la distribución de la partícula sólo cuando estas sean de forma esférica. Si las partículas son irregulares en forma de hojuelas se obtendrá información errónea. El tamaño de los polvos de metal pueden subdividirse en intervalos de tamiz y subtamiz. Aquellos que pertenecen a la clase de tamaño de tamiz se designan generalmente de acuerdo con la malla más fina a través de la cual pasará todo el polvo. Si todo el polvo pasa a través de un malla número 200, se designa como un polvo menos número 200, etc. Todos los polvos de tamaño subtamiz pasan a través de una malla número 325 utilizada en la práctica. El tamaño de estos polvos se puede especificar promediando las dimensiones reales determinadas por examen microscocópico. 5
Otra importante característica del polvo es la naturaleza de la superficie de las partículas individuales. Los polvos fabricados por reducción química de óxidos tienen una superficie muy áspera, mientras que las partículas atomizadas tienen una superficie de grado de aspereza mucho más fino. El carácter de la superficie influirá en las fuerzas de fricción, lo cual es importante cuando el polvo fluye o se deposita durante la compactación. Como cualquier reacción entre las partículas o entre el polvo y su ambiente se inicia en la superficie, la cantidad del área superficial por unidad de polvo puede ser significativa. El área superficial es muy grande para polvos hechos mediante técnicas de reducción. En las características de empaquetamiento y flujo de los polvos es importante la forma de la partícula. Las partículas de forma esférica tienen excelentes cualidades de sinterizado y dan como resultado características físicas uniformes del producto final; sin embargo, se ha encontrado que las partículas de forma irregular son superiores para el moldeo práctico. El mecanismo de empaquetamiento abarca tres procesos: el llenado de espacios entre las partículas más grandes por partículas más pequeñas, el rompimiento de puentes o bóvedas, y el deslizamiento y rotación mutua de partículas. Estos procesos son importantes cuando se cargan cavidades de troquel con polvos de metal. El peso de la cantidad de polvo sin apretar necesaria para llenar completamente una cavidad de molde dada es la densidad aparente. Aumentar la gravedad específica o densidad del material incrementa la densidad aparente. Como se ha mencionado anteriormente, el empaquetamiento de las partículas de polvo está influido grandemente por el tamaño y la forma de la partícula. La única forma de llenar completamente un espacio es utilizar cubos del mismo tamaño alineados exactamente. Cualquier otra forma de partículas curvas o irregulares no pueden llenar un espacio, lo cual da lugar a la porosidad. La importancia del empaquetamiento de esferas se estudia en la teoría de las estructuras cristalinas, donde se demuestra que las estructura cúbica centrada en la cara y hexagonal compacta tienen altos factores de empaquetamiento. Una forma efectiva de incrementar la densidad aparente es llenar los espacios entre las partículas con tamaños más pequeños, lo cual origina un arreglo de llenado, conocido como empaquetamiento intersticial; si embargo, aun las partículas más pequeñas no pueden llenar completamente los poros. Aún es posible que la adición de partículas más pequeñas disminuya la densidad aparente (efecto contrario al deseado) por la formación de cavidades arqueadas. La densidad aparente de un polvo es una propiedad de gran importancia para las operaciones de moldeado y sinterizado. Los polvos con baja densidad aparente requieren un mayor ciclo de compresión y cavidades más profundas para producir un aglomerado de densidad y tamaño dados. La tendencia del comprimido a encogerse durante el sinterizado parece disminuir al aumentar la densidad aparente. 4. BIBLIOGRAFÍA Coca Rebollero, P. y Rosique Jiménez, J. (2002). Tecnología mecánica y metrotecnia. Madrid: Editorial Pirámide. Howard, E.D. (1962). Tratado práctico de fundición. Madrid: Editorial Aguilar. 6
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