METALURGIA DE POLVOS

Prof. José Manuel Sánchez Moreno [email protected]

1

TEMA 1. INTRODUCCIÓN ESQUEMA:

- Marco de referencia - Definiciones - Breve reseña histórica - Razones para el uso de la metalurgia de polvos - El futuro de la metalurgia de polvos - Cuestiones

2

Marco de referencia ü Capacidad de fabricar piezas de forma compleja, de alta calidad con tolerancias ajustadas a bajo costo. ü Los pasos clave son el conformado de la pieza a partir de la compactación del polvo y la unión térmica de las partículas de polvo a elevada temperatura mediante sinterizado. ü Caracteristicas del proceso P/M (para serie larga) - Altamente automatizado (Productividad) - Bajo consumo energético (Impacto Medio-Ambiental) - Elevada utilización del material base (IMA) - Bajos costos por pieza ü Por estos motivos está sustituyendo a métodos tradicionales de fabricación (como p.e. el mecanizado por arranque de viruta). ü Además, P/M es un proceso muy flexible incorporando un amplio rango de nuevos materiales, microestructuras y propiedades (p.e. composites en 3 aplicaciones de resistencia al desgaste).

Marco de referencia ü La tecnología P/M se basa en un enfoque radicalmente distinto al de las técnicas habituales de conformado de metales: - Son variables : La composición química, el tratamiento térmico y la microestructura - Se puede modificar la distribución de las fases y microconstituyentes en las piezas (incluyendo la porosidad y las fases de refuerzo). ü Aplicaciones (Tabla 1): filamentos de W para lamparas , piezas para odontología, rodamientos sin lubricación, engranajes para transmisiones de vehículos, proyectiles cinéticos, contactos eléctricos, combustible nuclear, herramientas de corte, componentes resistentes al desgaste, filtros de alta temperatura, frenos en trenes de aterrizaje, baterías recargables y componentes de motores a reacción. • Pigmentos en pinturas, circuitos impresos, harinas enriquecidas , explosivos, electrodos de soldadura, combustible para naves espaciales, tintas de impresión laser, compuestos de soldadura por aporte y catalizadores. 4

5

Definiciones ü Polvo: Es un sólido finamente dividido, menor de 1 mm en su dimensión máxima. En muchos casos, los polvos serán de carácter metálico, pero en general se combinarán con otras fases (cerámicos, polimeros , vidrios, etc). ü Una característica fundamental del polvo es la elevada proporción entre su area superficial y su volumen. ü Su comportamiento es intermedio entre un sólido y un líquido. Los polvos fluyen por efecto de la gravedad para llenar contenedores o cavidades de matrices (como se fuesen líquidos). üSon compresibles, como los gases, pero su compresión es un fenómeno irreversible, como la deformación plástica de un metal. üLas piezas obtenidas mediante P/M muestran tras el procesamiento las propiedades de los materiales sólidos correspondientes. 6

Definiciones ü Las etapas del proceso P/M incluyen la aplicación de las leyes básicas térmodinámicas y de deformación al material en polvo.

7

Definiciones üEn primer lugar la tecnología de polvos tiene en consideración todos los factores que intervienen en el material de partida: -FABRICACIÓN -CARACTERIZACIÓN (TAMAÑO Y FORMA) -MANEJO -Menos importantes son: • Clasificación • Embalaje • Transporte ü En segundo lugar el procesamiento tiene como procesos básicos la COMPACTACIÓN y la SINTERIZACIÓN que tienen como objetivo la obtención de una forma próxima a la final y la eliminación de la porosidad. ü Por último, la calidad del producto se asegura mediante un estudio de las propiedades finales y su relación con la microestructura. 8

Definiciones ü El resultado final depende de la toma correcta de decisiones en las tres etapas: el tipo de polvo influencia la facilidad de prensado (p.e. atomizado gas) y su sinterización.

9

Breve reseña histórica Ø Incas (polvo de Au: joyas), Egipcios (3000 AC) polvo de Fe, Indues (300 DC), columna de 6.5 Tn. de polvo de Fe reducido. Ø 1800’s (Rusia e Inglaterra). • Fabricación de piezas de Pt (forjadas). Ruta P/M por el elevado precio de este elemento y su alto pto. de fusión. • Monedas de Cu, Ag y Pb prensadas y sinterizadas. Ø 1910 Coolidge fabricó el primer hilo de W para bombillas incandescentes ( para Edison) (En la actualidad 1 kg. de W produce 150.000 filamentos para bombillas de 40 W, con 1000 h de vida promedio) (Futuro: lamparas sin electrodos basadas en arco de cuarzo mucho más eficientes). Ø Carburos cementados para la fabricación de filamento de W (1929) Shaupy y Shröter (OSRAM). WC-Co matrices para trefilado de hilo de W. Ø Rodamientos porosos de bronce, contactos eléctricos de Cu-C Ø(1940) Nuevas aleaciones basadas en W, aleaciones Fe y otros metales refractarios (Nb, W, Mo, Zr, Ti, y Re). 10

Breve reseña histórica Ø Piezas estructurales p/m (basados en Fe). Ø Otras aplicaciones p/m: nucleares, aeroespaciales, eléctricas y magnéticas Ø En un comienzo la razón para el desarrollo de estos materiales era la reducción de costos. Sin embargo, en la actualidad P/M presenta otros valores añadidos: -Superaleaciones Ni, Aleaciones Al, composites Al presentan mayores prestaciones (propiedades y homogeneidad) mediante la ruta PM que mediante colada. Con adecuados indices de productividad y costo. -Desarrollo de nuevos materiales que no pueden obtenerse de otra manera (composites, materiales resistentes al desgaste o altamente refractarios).

11

Razones para el uso de la tecnología P/M Ø Producción económica de piezas de forma compleja (automoción). Productividad, tolerancias y automatización. - Ventajas frente a colada: menor segregación (Uso de polvos prealeados permite la fabricación a T < Tm) y menor coste de mecanizado Ø Obtención de propiedades o microestructuras únicas: -Metales porosos -Aleaciones con dispersión de óxidos -Cermets – Carburos cementados -Vidrios metálicos ØObtención de materiales de procesamiento muy dificil: -Metales refractarios (fusión no es práctico)

12

Futuro de la tecnología P/M

Ø Piezas estructurales basadas en aleaciones Fe (serie larga, elevada precisión, calidad suficiente, bajo costo) Ø Consolidación de materiales de elevadas prestaciones (densidad total y fiabilidad) Ø Materiales difíciles de procesar (densidad completa, microestructuras homogéneas) Ø Materiales compuestos (reforzados por fibras, cermets, etc) Ø Sintesis de materiales fuera del equilibrio (amorfos, nanocristalinos , metastables ) Ø Formas complejas con materiales exóticos (diamante, CBN, etc).

13

Cuestiones-Tema 1 Ø1 ¿Cuáles son las diferencias más importantes entre polvos metálicos y cerámicos y como podrían influir sobre su procesamiento P/M? Ø2 A pesar de su bajo punto de fusión (232ºC), el estaño se usa habitualmente como polvo. Identificar algunas posibles aplicaciones de este material. Ø3 Los polvos metálicos o cerámicos presentan propiedades de fluidez parecidas a las de los líquidos. Identificar objetos habituales que utilicen esta propiedad. Ø4 Dos aplicaciones de las aleaciones de aluminio son como combus tible sólido para cohetes y para la fabricación de piezas del fuselaje de aviones y piezas de motores de motocicletas. ¿Qué diferencias se os ocurren que pueden tener los polvos que se utilicen en cada caso?

14