Universidad Nacional de La Plata FACULTAD DE INGENIERÍA Programa de: Pulvimetalurgia Código: M0644 Fecha Actualización: 30/07/2012 CARRERAS PARA LAS QUE SE DICTA Carrera Plan Carácter Cantidad de Semanas Año Semestre Materiales Totales: 21 Mecánica 2002 Optativa Clases: Electromecánica 18 Evaluaciones: 3 CORRELATIVIDADES CURSADA PROMOCIÓN M0617 - Fundamentos Del Comportamiento de los M0644 - Estructuras y Propiedades de las Aleaciones Materiales II (Ingeniería en Materiales) M0603 Materiales (Ingeniería Mecánica y Electromecánnica) DATOS GENERALES Departamento: Mecánica Área: Fabricación Tipificación: Tecnológica Aplicada HORAS BLOQUE Mat. Física Bloque de CB Química Informática Total Bloque de TB Bloque de TA 80 Bloque de Complementarias Total 80 PLANTEL DOCENTE Prof. Responsable: Culcasi J. Daniel Profesor Titular: Profesor Asociado: Profesor Adjunto: Culcasi, J. Daniel JTP: Grisin, Marcelo Alejandro Ay. Diplomado: Dilisa, Fernando Gabriel Ay. Alumno: Mosqueira, Martín TEÓRICA 36 CARGA HORARIA Horas de clase TOTALES: 80 SEMANALES: 5 PRÁCTICA TOTALES PRÁCTICA 44 FORMACIÓN PRACTICA Formación Experimental 12 Resol. de Problemas 32 Proyecto y Diseño HORAS DE ESTUDIO ADICIONALES (NO ESCOLARIZADAS) Teoría Form. Exp. Laboratorio 6 PPS 0 Form. Exp. Campo Resol. de Problemas Proy. y Diseño 12 ACTIVIDAD LABORATORIO-CAMPO Pulvimetalurgia Página 1
Descripción: Nombre Tema Laboratorio Días y Horarios Herramientas Utilizadas: OBJETIVOS: Los objetivos generales de la asignatura son brindar conocimientos referentes a las diferentes técnicas de elaboración de piezas a partir de polvos metálicos, y las técnicas de producción de dichos polvos. En particular, se pretende que el alumno sea capaz de discernir acerca de la posibilidad de utilizar técnicas pulvimetalúrgicas para fabricar un determinado producto, teniendo en cuenta propiedades mecánicas y geométricas del mismo, así como consideraciones económicas. PROGRAMA SINTÉTICO: 1. FUNDAMENTOS DE LA PULVIMETALURGIA. Principios. Historia. 2. PRODUCCIÓN DE POLVOS METÁLICOS. Métodos de producción. Producción de polvos de metales específicos. 3. ACONDICIONAMIENTO CARACTERIZACIÓN Y ENSAYO DE POLVOS METÁLICOS. Tamizado. Limpieza. Recocido. Mezclado. Lubricación. Riesgos asociados a la manipulación de polvos. Muestreo. Tamaño y distribución de tamaños de partículas. Forma de las partículas. Análisis químico. Superficie específica, densidad y porosidad. Densidad aparente y fluabilidad. Compresibilidad. Resistencia en verde de los compactos. Cambios dimensionales de los compactos sinterizados. 4. COMPACTACIÓN DE POLVOS. Fundamentos mecánicos de la consolidación. Condicionamientos de la forma del producto. Prensas y herramental. Otros métodos de compactación en frío. 5. SINTERIZACIÓN. Equipos de sinterización. Sinterización de polvo metálico monofásico. Sinterización en fase sólida de compactos de mezcla de polvos metálicos. Sinterización con fase líquida. 6. OTROS MÉTODOS DE CONSOLIDACIÓN Y APLICACIONES ESPECIALES. Sinterización de polvo suelto. Slip casting. Infiltración. Consolidación en caliente. Pulvimetalurgia de metales refractarios y reactivos. Metales porosos. Carburos cementados. Cermets. Otros productos pulvimetalúrgicos. PROGRAMA ANALÍTICO: AÑO DE APROBACIÓN: 2002 1.1 FUNDAMENTOS DE LA PULVIMETALURGIA. Procesos pulvimetalúrgicos: Definición. Técnicas: Preparación y acondicionamiento de polvos; procesado; operaciones adicionales; modificaciones; terminación. Aplicaciones industriales: Metales refractarios. Metales compuestos. Combinaciones metal-no metal. Aleaciones de composición inusual. Metales de alta pureza. Cerámicos. Otras aplica-ciones. Evaluación critica: Ventajas. Limitaciones. Pulvimetalurgia Página 2
1.2 HISTORIA: Primeros desarrollos. Pulvimetalurgia del platino. La pulvimetalurgia en el siglo XIX. Desarrollos modernos. 2.1 PRODUCCIÓN DE POLVOS METÁLICOS.Atomización: Atomización por agua y por gas: Variables de atomización. Electrodo rotante. Disco rotante. Atomización por vacío. Solidificación ultrarrápida. Procesos de conducción. Procesos de convección. Métodos químicos: Reducción de óxidos. Precipitación desde una solución. Descomposición térmica. Precipitación desde soluciones salinas. Precipitación desde un gas. Descomposición de hidruros. Fragilización química. Reacción Termita. Electrodeposición: Polvo esponja. Proceso de cátodo frágil. Molienda: Fundamentos de la molienda. Parámetros de molienda y características de los polvos. Relación de energía. Procesos y mecanismos de molienda. Dispersión de óxidos, partículas duras, y desgaste. Equipos de molienda. Polvos de hierro: Proceso Höganäs. Proceso Pyron. Atomización por agua de hierro de bajo carbono. Proceso QMP. Proceso Domfer. Proceso carbonilo. Electrólisis. Lecho fluidizado. polvos de acero: Aceros inoxidables. Aceros de baja aleación. Aceros para herramientas.polvos de cobre: Reducción de óxido de cobre. Proceso Electrolítico. Propiedades de los polvos electrolíticos. Aplicaciones. Atomización de cobre. Proceso hidrometalúrgico. Polvos de aleaciones de cobre: Latones. Bronces. Alpacas.Polvos de estaño: Fusión. Atomización. Propiedades. Polvos de aluminio: Resumen histórico. Proceso de atomización. Boquilla de atomización. Proceso ALCOA. Tamaño y forma de los polvos. Propiedades físicas y químicas. Explosividad. Polvos de magnesio: A partir de magnesio sólido: Torneado. Limado. Molienda. A partir de magnesio líquido: Atomización. Emulsificación. Riesgos potenciales: Incendio. Explosión. Polvos de níquel y aleaciones de níquel: Proceso carbonilo. Carbonilos metálicos. Formación y descomposición de carbonilos. Procesos comerciales. Propiedades y aplicaciones de los polvos. Proceso hidrometalúrgico: Lixiviado. Purificación de la solución. Remoción del cobre. Oxidrólisis. Recuperación del metal. Atomización de aleaciones de níquel. Polvos de cobalto: Proceso hidrometalúrgico. Descomposición térmica de óxido de cobalto. Atomización. Polvos de metales preciosos: Plata: Procesos químicos. Procesos electroquímicos. Procesos físicos. Reducción térmica. Oro, platino y paladio. Polvos de tungsteno, molibdeno y carburos metálicos. Otros polvos metálicos: Tantalio y niobio. Titanio. Berilio. Polvos compuestos. 3.1 ACONDICIONAMIENTO DE POLVOS METÁLICOS: Tamizado. Limpieza: Remoción de contami-nantes particulados. Remoción de contaminantes gaseosos. Recocido. Mezclado. Lubricación de los polvos. Riesgos asociados a la manipulación de polvos. Explosividad. Piroforocidad. Toxicidad. Agencias reguladoras y normas. 3.2 CARACTERIZACIÓN Y ENSAYO DE POLVOS METÁLICOS: Muestreo: Procedimientos de mues-treo. Tamaño y distribución de tamaños de partículas: Análisis por tamizado. Métodos de ensayo normalizados. Análisis por difracción de luz: Principios de difracción. Instrumentación. Análisis por sedimentación: Métodos y equipos. Análisis por pasaje de una solución a través de una zona sensible. Microscopía y análisis de imágenes: Técnicas de medición de tamaño de partícula. Técnicas de muestreo. Microscopio óptico. Microscopio electrónico de transmisión. Microscopio electrónico de barrido. Determinación de superficie específica: Por permeametría. Por adsorción de gas. Forma de las partículas: Examen cualitativo mediante microscopía electrónica de barrido. Análisis químico volumétrico. Ensayo de pérdida de peso por reducción con hidrógeno. Determinación de insolubles en ácido. Otros métodos de análisis. Análisis químico superficial. Densidad aparente y fluabilidad de polvos metálicos: Factores que afectan la densidad aparente. Flujómetro de Hall y embudo de Car-ney. Densímetro de Scott. Densímetro de Arnold. Determinación de la densidad de polvo vibrado. Ensayos de velocidad de flujo. Variables que afectan la fluabilidad. Ángulo de reposo. Compresibili-dad de polvos metálicos: Factores que afectan la compresibilidad. Normas de aplicación. Resistencia en verde de los compactos: Ensayos y normas de aplicación. Variables que afectan la resistencia en verde. Cambios dimensionales de los compactos sinterizados: Métodos de ensayo normalizados. Tolerancias dimensionales. Pulvimetalurgia Página 3
4 COMPACTACIÓN DE POLVOS.FUNDAMENTOS MECÁNICOS: Empaquetamiento de polvos. Comportamiento de polvos metálicos bajo presión: Relación presión-densidad. Distribución de tensión y densidad en compactos. Resistencia en verde. Métodos de compactación para lograr densificación total. 4.2 CONDICIONAMIENTOS DE LA FORMA DEL PRODUCTO: Compactación en matrices rígidas: Diseño y llenado de la matriz: piezas de uno o de múltiples niveles. Capacidad y velocidad de las prensas. Matrices. Punzones. Secuencias de compactación en piezas de múltiples niveles. 4.3 PRENSAS Y HERRAMENTAL: Requerimientos de presión. Prensas mecánicas. Prensas hidráulicas. Comparación entre prensas mecánicas e hidráulicas: Velocidad de producción. Costos operativos. Protección por sobrecarga. Costos de equipamiento. Montaje de matrices. Clasificación de las piezas según su forma. Sistemas de montaje.tipos de prensas. Diseño de matrices y herramental. Tensiones actuantes sobre los punzones. Materiales para la fabricación del herramental. 4.4 OTROS MÉTODOS DE COMPACTACIÓN EN FRÍO: Compactación isostática en frío. Compactación dinámica. Compactación por laminación de polvos. Método de Emley y Deibel. Extrusión de polvos con un plastificante. Moldeo por inyección. 5 SINTERIZACIÓN. 5.1 EQUIPOS: Hornos continuos. Diseño y métodos de calentamiento. Métodos de transporte. Control de temperatura. Hornos discontinuos. Hornos de sinterización en vacío. 5.2 ATMÓSFERAS: Propósitos de las atmósferas de sinterización. Tipos de atmósferas. Reacciones de oxidación-redución. Reacciones de carburación-decarburación. 5.3 SINTERIZACIÓN DE POLVO METÁLICO MONOFÁSICO. OBSERVACIONES EXPERIMENTALES: Densidad y resistencia en verde. Cambios dimensionales y de densidad durante la sinterización: Efecto de las propiedades del polvo y las condiciones de compactación y de sinterización. Efecto de la sinterización sobre las propiedades mecánicas. 5.4 MECANISMO DE SINTERIZACIÓN DE POLVO METÁLICO MONOFÁSICO: Etapa inicial: Fuerzas impulsoras. Mecanismos de transporte de materia. Etapas intermedia y final. Expansión debida a los gases atrapados. 5.5 SINTERIZACIÓN EN FASE SÓLIDA DE COMPACTOS DE MEZCLA DE POLVOS: Comparación entre polvos prealeados y mezcla de polvos elementales. Parámetros que afectan la interdifusión. Análisis cuantitativo de la interdifusión. Sinterización activada. 5.6 SINTERIZACIÓN CON FASE LÍQUIDA: Mecanismo de sinterización con fase líquida transitoria. Mecanismo del metal pesado. Sinterizado de compactos de mezcla hierro-cobre. Sinterizado de compactos de mezcla cobre-estaño. 6 6.1 OTROS MÉTODOS DE CONSOLIDACIÓN: Sinterización de polvo suelto. Slip casting. Infiltración. 6.2 CONSOLIDACIÓN EN CALIENTE: Prensado en caliente. Sinterizado por corriente eléctrica bajo presión. Extrusión en caliente. Compactación isostática en caliente. Forjado. 6.3 PULVIMETALURGIA DE METALES REFRACTARIOS Y REACTIVOS: Alambres de tungsteno. Otros productos de tungsteno y aleaciones. Molibdeno. Tantalio. Titanio, circonio y sus aleaciones. 6.4 METALES POROSOS: Cojinetes autolubricados. Filtros. Electrodos. Implantes quirúrgicos.otras aplicaciones.. 6.5 CARBUROS CEMENTADOS: Clasificación de los carburos cementados: Carburos de Pulvimetalurgia Página 4
tungsteno ligados con cobalto. Carburos de tungsteno con titanio y/o tantalio. Carburos de titanio. Carburos de cromo. Producción de carburos cementados. Composición, propiedades y ensayos. Mecanismos de sinterización en carburos cementados. 6.6 CERMETS : Materiales metálicos de fricción. Dispersión de elementos de combustible nuclear. Herramientas de diamante ligado con metal. 6.7 OTROS PRODUCTOS PULVIMETALÚRGICOS: Preelaborados pulvimetalúrgicos: Berilio. Aleaciones de magnesio. Aleaciones de aluminio. Superaleaciones. Aceros para herramientas. Aleaciones endurecidas por dispersión: Dispersión de óxidos. Materiales endurecidos por dispersión de metales o compuestos intermetálicos. Productos pulvimetalúrgicos para aplicaciones magnéticas y aplicaciones eléctricas. ACTIVIDADES PRÁCTICAS: 1. FUNDAMENTOS DE LA PULVIMETALURGIA. Cuestionario teórico-práctico. Presentación de respuestas con la debida fundamentación, 3 horas. 2. FABRICACIÓN DE POLVOS. Cuestionario teórico-práctico. Presentación de respuestas con la debida fundamentación, 3 horas. 3. ACONDICIONAMIENTO, CARACTERIZACIÓN Y ENSAYO DE POLVOS. Cuestionario teóricopráctico. Presentación de respuestas con la debida fundamentación, 3 horas. 4. LABORATORIO DE MICROSCOPÍA. Preparación y observación de muestras en microscopio óptico y microscopio electrónico de barrido. Presentación de informe escrito, 5 horas. 5. Visita a centro de investigación (CETMIT), 3 horas. 6. COMPACTACIÓN. Cuestionario teórico-práctico. Presentación de respuestas con la debida fundamentación, 3 horas. 7. LABORATORIO DE COMPACTACIÓN. Compactación de polvos aplicando diferentes cargas y determinación de la densidad de los compactos, 5 horas. 8. SINTERIZACIÓN. Cuestionario teórico-práctico. Presentación de respuestas con la debida fundamentación, 3 horas. 9. OTRAS TÉCNICAS DE CONSOLIDACIÓN Y APLICACIONES ESPECIALES. Cuestionario teórico-práctico. Presentación de respuestas con la debida fundamentación, 3 horas. 10. Visita a planta industrial de Pulvimetalurgia (GKN Sinter Metals Chivilcoy), 7 horas 11. TRABAJO MONOGRÁFICO O DE INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA. Presentación grupal de un trabajo, sobre un tema relacionado a la asignatura, y defensa oral del mismo, 15 horas. METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA: La asignatura se encuentra dividida en seis unidades. En la primera unidad se abordan aspectos generales de la Pulvimetalurgia, en la segunda y tercera se estudian los diferentes procesos de fabricación de polvos metálicos y métodos de ensayo y acondicionamiento de los mismos, la cuarta y quinta unidad se refieren a etapas intervinientes en la fabricación de piezas, y la última unidad trata técnicas y aplicaciones especiales. Al comienzo de cada unidad habrá una exposición por parte de los docentes, en la que se destacarán los puntos más importantes de la misma. En las clases sucesivas se profundizarán los temas tratados con la participación activa de los alumnos, quienes deberán analizar los contenidos de la unidad bajo la supervisión de los docentes. Se facilitarán apuntes, bibliografía adicional y un cuestionario guía que deberá responderse antes del correspondiente examen parcial. Cada alumno, en forma individual o en grupo, según lo establezca la Cátedra, deberá desarrollar un trabajo especial monográfico o de investigación bibliográfica que expondrá y discutirá ante el resto de la clase al final del curso. Pulvimetalurgia Página 5
SISTEMA DE EVALUACIÓN: La resolución de los cuestionarios y problemas, así como los informes de laboratorio, formarán parte de la evaluación continua. Se realizarán dos coloquios, complementarios a los cuestionarios, durante el transcurso de las semanas de evaluaciones parciales previstas por el calendario académico (uno en cada período de evaluación). En estos coloquios se hará especial hincapié en aquellos temas no precisados satisfactoriamente en la resolución de los cuestionarios e informes de laboratorio. Para aprobar cada coloquio, deberá alcanzarse una calificación mínima de cuatro (4) puntos. Cada alumno tendrá opción a un examen recuperatorio al finalizar el cuatrimestre. Este último examen permitirá recuperar los contenidos no aprobados, o mejorar la calificación de aquellos alumnos que no hayan alcanzado la calificación seis (6) como promedio. En este último caso el examen será abarcativo de todas las unidades. Aprobarán la asignatura en forma directa los alumnos que hayan alcanzado un promedio de calificaciones -entre trabajos prácticos, laboratorios, coloquios y trabajos especiales- igual o superior a seis (6). El alumno que no haya aprobado la asignatura por el régimen de promoción directa y posea una calificación mínima de cuatro (4) puntos en los aspectos prácticos de la asignatura, estará habilitado para rendir examen final según lo previsto por la Ordenanza Nº 28/02. BIBLIOGRAFÍA: - GERMAN, Randall M. Powder Metallurgy Science 2nd ed. / Princeton, New Jersey: Metal Powder Industries Federation, 1994. (Biblioteca Cátedra). - GERMAN, Randall M. Sintering: Theory and Practice / New York: John Wiley, 1996. (Biblioteca). - LENEL, Fritz V. Powder Metallurgy: Principles and Applications. / Princeton, New Jersey: Metal Powder Industries Federation, 1980. (Biblioteca Cátedra). - ASM Metals Handbook: Volume 7, 10th ed., Powder Metallurgy / Ohio: ASM International, 1998. (Cátedra). - Apuntes de la cátedra. (Biblioteca Cátedra). MATERIAL DIDÁCTICO: Apuntes desarrollados por la cátedra - Procesos pulvimetalúrgicos Historia (18 pág.). - Fabricación de polvos metálicos (72 pág.). - Acondicionamiento, caracterización y ensayo de polvos metálicos (36 pág.). - Compactabilidad y compresibilidad (6 pág.) - Compactación de polvos metálicos (23 pág.). - Compactación dinámica (26 pág.). - Sinterización: observaciones experimentales (15 pág.). - Práctica de sinterización (23 pág.). - Mecanismos de sinterización (20 pág.). - Forjado y prensado en caliente de polvos metálicos (9 pág.). Pulvimetalurgia Página 6
- Infiltración (10 pág.). Pulvimetalurgia Página 7