La Metalurgia de Polvos (MP) se define como el proceso que se utiliza para fabricar componentes (metálicos, no metálicos o mezclas de los dos) a partir de polvos de los materiales y después hacer objetos mediante la aplicación de presión y después calor o ambos simultáneamente.

“La MP es la técnica de formación de objetos sólidos o porosos a partir de polvos metálicos o no metálicos”.

Es un proceso de fabricación en el que polvos metálicos se compactan para darles formas deseadas, con frecuencia complejas, y se sinterizan (se calientan sin que se fundan) para formar una pieza sólida.

En la actualidad es posible producir piezas con propiedades iguales o incluso superiores a las fabricadas por vías más tradicionales. El proceso de fabricación de piezas por MP implica la unión en estado sólido de un polvo de grano fino para convertirse en un producto policristalino.

Cada grano del polvo original corresponde de forma aproximada a un grano de la estructura policristalina final. Una difusión de estado sólido suficiente puede llevar a un producto completamente denso, aunque es común cierta porosidad residual. Esta técnica de procesado presenta ventajas para las aleaciones de alta temperatura de fusión y los productos con formas complejas.

Introducción a la pulvimetalurgia

Se entiende por pulvimetalurgia, principalmente, la rama de la metalurgia que estudia el procesado de los polvos metálicos.

Interés industrial

En cuanto a la economía

  • Amplia variedad de aleaciones y geometrías (piezas complejas).
  • Bajo coste por producción en serie.
  • Control de la porosidad – reducción de peso.
  • Mínimas pérdidas de material.
  • Eliminación del mecanizado.
  • Posibilita tratamientos térmicos.

En cuanto a la exclusividad

  • Productos refractarios.
  • Solidificación rápida.
  • Aleado mecánico.

En cuanto a la singularidad

  • Algunos composites.
  • Materiales fricción.
  • Materiales de corte.
  • Piezas estructurales.

Principales tipos de materiales sinterizados

Materiales Refractarios

Refractarios con Tf > 2000 ºC (W, Ta, Mo, Nb y otras aleaciones).

Materiales de Corte o Utillaje

Carburos cementados (sinterización en fase líquida). WIDIA = WC + Co (el más utilizado).

Óxidos (Al2O3 ), nitruros (TiN, TaN) y boruros (BN, TiB2) en forma de plaquitas.

Materiales de base diamante, como discos de corte, muelas abrasivas, etc, en los que el diamante en polvo se embebe en otro material.

Materiales de Fricción metálicos

Se emplean en embragues y frenos.

Hay que distinguirlos de los materiales de fricción "orgánicos".

Ventajas técnicas frente a los otros: absorben energía a mayores velocidades, mayor resistencia al desgaste, soportan mayores temperaturas, mayor conductividad térmica. Formados por mezclas de polvos metálicos, abrasivos y lubricantes.

Procesado

Los procesos de MP implican muy poco desperdicio de material, cerca del 97 por ciento de los polvos iniciales se convierten en productos. Esto se compara favorablemente con los procesos de fundición en los cuales los bebederos, alimentadores y mazarotas son material de desperdicio en cada ciclo de producción (aunque puedan reciclarse posteriormente).

Debido a la naturaleza del material inicial en la MP, se pueden hacer piezas con un nivel específico de porosidad. Esta característica se presta a la producción de piezas de metal poroso, como cojinetes y engranajes impregnados con aceite, así como filtros.

Ciertos metales que son difíciles de fabricar por otros métodos, se pueden fabricar por MP. El tungsteno es un ejemplo, los filamentos de tungsteno que se usan en las lámparas incandescentes se producen con tecnología de MP.

Ciertas combinaciones de aleaciones metálicas que no se pueden producir por otros métodos se pueden hacer por MP.

La MP se compara favorablemente con la mayoría de los procesos de fundición en lo que se refiere al control dimensional de los productos. Las tolerancias rutinarias que se pueden lograr son de 0,13 mm. (0,005 pulg.). Los métodos de producción de MP se pueden automatizar para hacer más económica la operación.

Materiales pulvimetalúrgicos más utilizados

Materiales porosos

Casquillos autolubricados, de bronce, acero, Al, etc, en cuyos poros se introduce aceite. Cuando se produce el calentamiento por fricción, el aceite fluye, creando una capa de lubricante.

Filtros metálicos, de acero inoxidable y de bronce, que se obtienen sin la etapa de prensado (loose-sintering).

Piezas estructurales

Resistencia mecánica elevada: piezas de Fe, Fe-Cu, Fe-C, Al, principalmente empleadas en la industria del automóvil

Etapas del procesado convencional de los polvos

Etapa de mezclado del material

El propósito es obtener una mezcla homogénea del metal, lubricante y elementos aleantes, si se emplean. Se pueden utilizar polvos prealeados, o polvos ya mezclados por el fabricante (premezclados), evitándose esta etapa.

El lubricante incrementa la fluidez del sistema facilitando el trasiego y moldeabilidad de los polvos. Se suelen utilizar el grafito, litio o estearato de zinc (0,5 – 1,5%).

Deben ser eliminados antes de la sinterización pues constituyen una barrera para la consolidación de los polvos del material.

Etapa del prensado o compactación

Consiste en someter al polvo, en un molde, a una presión conveniente (200 a 700 MPa). Así se pretende conseguir, a la temperatura ambiente:

  • lograr una cierta adhesión de los polvos (resistencia en verde), que permita su posterior manipulado.
  • aumentar su densidad (¡¡¡ esto es lo fundamental !!!).
  • conformar la pieza.

Las tres etapas de la compactación son el llenado, la compactación y la extracción.

Al conjunto de las herramientas empleadas (matriz, punzones, etc) se les suele denominar juego de troqueles.

Al incrementar la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto interparticular aumente y entren en contacto partículas adicionales. Esto viene acompañado de una reducción posterior del volumen de poros.

Etapa de sinterización

La sinterización es el fenómeno por el cual partículas finas, compactadas a presión o simplemente confinadas en un molde, se sueldan entre sí formando una pieza, sin necesidad de fusión, por acción de la temperatura.

La fuerza promotora de la sinterización es la disminución de la energía libre por la disminución de la energía superficial asociada a los polvos al pasar a un sólido único

¿Cómo ocurre?

Se calientan los polvos compactados a una temperatura inferior a la de fusión de los  metales que los forman, durante un tiempo suficiente para que las partículas se suelden y el componente resultante adquiera resistencia mecánica.

Esta es la etapa más importante del procesado de los polvos.

Se mejora la adhesión de las partículas. Ocurre, muy frecuentemente, una cierta densificación.

Se realiza en atmósferas neutras o reductoras y, en ocasiones, en vacío. En algunas ocasiones es necesario o conveniente sinterizar directamente los polvos, sin compactación previa -loose sintering- (fabricación de piezas muy porosas, como los filtros metálicos).

El sinterizado es un proceso mediante en cual los compactados crudos o en verde se calientan en un horno de atmósfera controlada a una temperatura por debajo del punto de fusión, pero lo suficientemente elevada para permitir que se unan (fusionen) las partículas individuales. La naturaleza y resistencia de la unión entre las partículas y, por lo tanto, la del compactado sinterizado, depende de los complejos mecanismos de difusión, flujo plástico, evaporación de materiales volátiles en el compactado, recristalizacion, crecimiento de los granos y contracción de poros.

Se realiza en hornos continuos con tres zonas: deslubricación (eliminación del lubricante), sinterización y enfriamiento de las piezas.

Etapas posteriores: calibrado y tratamiento al vapor

Etapa de calibrado:

Tiene como objeto incrementar la precisión de las tolerancias dimensionales. Para ello, las piezas se someten a una operación similar a un reprensado. Es la operación secundaria más empleada.

Etapa de tratamiento al vapor

La formación de una película de Fe3O4 mediante vapor de agua proporciona: Resistencia a la corrosión, resistencia a las tensiones de compresión e incremento considerable en la dureza, resistencia al desgaste, pequeños cambios dimensionales. Este tratamiento es realizado, por ejemplo, sobre los pistones de amortiguadores.

Aspectos microestructurales

La porosidad representa una "fase" significativa en estos materiales.

Con el procesado convencional de estos materiales puede obtenerse una buena densificación (90 a 95%). Sin embargo, se requieren procesados más complejos para que la densificación sea del 100% (por ejemplo, la sinterización en fase líquida).

El comportamiento mecánico de los “cuellos” puede compararse al de micro-probetas sometidas a tracción en donde los poros actúan como entallas, de ahí la importancia de su geometría y distribución.

Sinterización en fase líquida

En algún momento de la etapa de sinterización se forma una fase líquida (permanente o transitoria) por acción de la temperatura.

Importancia en la elaboración de materiales:

Cerámicos: Si3N4 -Y2O3 (turbinas), Al2O3 -SiO2 y MgO-CaO-SiO2 (refractarios), K2O-Al2O3 -SiO2 (porcelana).

Compuestos: WC-Co (herramientas de conformado y mecanizado).

Como la difusión de los espacios son átomos o iones, es más rápida en los líquidos que en el estado sólido, la presencia de una fase líquida puede proporcionar una forma cómoda de acelerar la sinterización de muchos metales refractarios y formulaciones de cerámicos.

En ocasiones, cuando el proceso de sinterización se efectúa a una temperatura superior a la de fusión de uno de los constituyentes secundarios, como en partes estructurales de Hierro/Cobre, Carburo de Tungsteno/Cobalto, etc. Este constituyente funde, envolviendo a los granos sólidos. Al hacer el proceso a una temperatura superior a la temperatura de fusión de un constituyente, se está haciendo un sinterizado con presencia de fase líquida. Para que la fase líquida sea efectiva en ampliar el sinterizado, es importante que el fluido pueda “humectar” los granos, en forma parecida a como el agua humecta una superficie de vidrio.

La Sinterización en fase líquida es adecuada para mezclas de polvos con punto de fusión muy distintos. Durante la etapa de sinterizado en procesos de este tipo, uno de los componentes alcanza el punto de fusión, repartiéndose y “mojando” las partículas del otro constituyente y se obtienen productos no porosos (Fe-Cu; W-Co; Cu-Co, etc.).

Etapas de la sinterización en fase líquida

Mezcla de polvos base con aditivos de sinterización (para promover la formación de líquido).

Estado sólido: generación de contactos íntimos.

Reordenamiento: formación de líquido, reacomodo de partículas, densificación alta.

Solución-reprecipitación: Difusión, crecimiento de grano, formación de cuellos.

Sinterización en estado sólido: crecimiento de granos, coalescencia y eliminación de poros.

Ventajas

  • Menor temperatura de sinterización.
  • Reducción del tiempo de sinterización.
  • Obtención de densificación final (100%).

Inconvenientes:

  • El crítico control del ciclo térmico.
  • El uso del aditivo correcto.
  • Necesidad de un calibrado final.

Operaciones de acabado

Reprensado: Es una operación de prensado en la cual se aprieta la pieza en un utillaje cerrado para aumentar la densidad y mejorar las propiedades físicas.

Mecanizado: Algunas piezas sinterizadas requieren de un mecanizado posterior. Rara vez se usa el maquinado para dimensionar las piezas, más bien se usa para crear características geométricas que no se puedan lograr por prensado, como son ranuras internas o externas, taladros laterales y otros detalles.

Recompactado en frío. Es casi inevitable que las piezas sufran un cambio dimensional en el sinterizado. Para contrarrestar este efecto negativo y en algunos casos para incrementar la densidad de la pieza, se usa el Re-Compactado. Como su nombre lo indica consta de volver a compactar la pieza, devolviéndole sus dimensiones iniciales y aumentando la densidad (sólo se aumenta un poco). Esta última propiedad es vital para cuando se necesitan piezas con propiedades mecánicas óptimas, en estos casos también se recomienda volver a hacer un Sinterizado.

Impregnación: Es el término que se usa cuando se introduce aceite u otro fluido dentro de los poros de una pieza sinterizada. Los productos más comunes son los cojinetes impregnados en aceite, los engranajes y componentes similares de maquinaria. Los cojinetes auto lubricados, fabricados de bronce y hierro con 10% a 30% de aceite en volumen, se usan ampliamente en la industria automotriz. Cuando aumenta la temperatura por el rozamiento, el aceite fluye, formando una película lubricante que disminuye el rozamiento.