1. Introducción. 2. Atomización - UC3Mocw.uc3m.es/cursos-archivados/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Obtención de Polvos por atomización de fundido: Atomización

Tema 2: Principales métodos de obtención de polvos

1. Introducción.

2. Atomizacióna) Métodos de desintegración de metales

3. Procesos Reacción Químicos3. Procesos Reacción Químicos

4. Electrolisis

5. Procesos Mecánicosa) Molienda

b) Aleación Mecánica

6. Caracterización de polvos

a) Propiedades que describen las características de las partículas

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC31

Definiciones

Polvo: Sólido finamente dividido, menor de 1 mm en su dimensión máxima.

CARACTERÍSTICAS

•Elevada relación entre área superficial/volumen

•Fluyen por efecto de la gravedad

FACTORES de la FABRICACIÓN que influyen en las PROPIEDADES

•Pureza

•Morfología

•Tamaño

2 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

Clasificación de los métodos de obtención

Atomización Reacción Química

Gas, agua, otras técnicas de pulverización

Descomposición de óxidos.

Electrodeposición Mecánicos

La selección depende de la pureza, morfología, composición y coste.

Molienda de alta energía y aleación mecánica.


PROCESOS DE ATOMIZACIÓN


PROCESOS DE ATOMIZACIÓN

Obtención de Polvos por atomización de fundido

• Técnica de elevada productividad (400 kg/min) que se aplica fundamentalmente en metales y aleaciones.

• El polvo se obtiene mediante la pulverización del material en estado líquido. Su fraccionamiento en gotas se produce antes de la solidificación.

• El medio que produce la pulverización puede ser agua o gas. Cuanto mayor es la energía suministrada al caldo menor es el tamaño de partícula.

Atomización líquido con Gas


Atomización líquido con Gas• Atmósfera Inerte• Baja velocidad solidificación

Atomización líquido con Agua• Elevada velocidad solidificación• Oxidación caldo.

Obtención de Polvos por atomización de fundido: Atomización en Gas

•Gas inerte para evitar la oxidación

•El caldo se funde en un horno de inducción y se vierte por una boquilla.

•Necesita un sistema de extracción de gases para evitar sobre-presión en la cámara.

POLVOS: Esféricos de elevada pureza

Variables:

Fundido: T caldo, viscosidad, flujo de metal

Gas: Tipo, P, caudal, velocidad, T, geometría boquilla salida de gas


salida de gas

� Tiempos largos de solidificación � > esforoidización

� La reducción del tamaño depende de la viscosidad, T y de la aceleración inducida por el gas.

Modelo de desintegración de una lámina líquida por la acción de un gas inyectado a alta P

Dombrowski ,N. & Johns, WR. Chem. Eng.Soi. Vol 18. 1963: 203-214

"Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

Obtención de Polvos por atomización de fundido: Atomización en agua

•Técnica más usada para producir polvos

elementales o prealeados de Tf< 1600ºC.

Producción ~400kg/min.

•Se pulveriza incidiendo con chorros de agua a

Presión (5ℓ agua/kg metal).

•Produce un temple de las partículas y una

oxidación en la superficie de las partículas.


•Suele ir acompañado de un proceso de

reducción en hidrógeno con molienda posterior.

POLVOS: Irregulares, menor purezaPara Fe: 150 MPa � 5 µm

αsenvP

Kd·

)ln(=d: Tamaño partícula

P: presión agua

v: velocidad agua

α: ángulo agua-metal


Partículas atomizadas

CuCu--10Sn10Sn

FeFe

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M8

Cu

Otros Métodos de desintegración de metales

Atomización por centrifugado• Proceso de electrodo rotativo. El extremo del electrodo se funde

mediante arco con un plasma o cátodo de W. El ánodo del material a pulverizar gira a 50000 rpm (en gas gas inerte o vacío)� Alta pureza

• BAJO volumen de producción, tamaño grueso, elevado coste

Crucible Melt Extraction

• La acción de la Fcentrifuga proyecta el fundido en finas


• La acción de la Fcentrifuga proyecta el fundido en finas gotas de tamaño 100-10 µm

• Baja segregación y tamaño de grano pequeño

Melt spining• Fabricación de aleaciones en forma de cinta. • El contacto con la rueda en rotación provoca la solidificación

instantánea del material

PROCESOS DE REACCIÓN QUÍMICA


QUÍMICA

Técnicas de Fabricación Químicas

Reducción de Óxidos• Para la producción de polvos metálicos de Fe, Cu, W, Mo desde

sus óxidos.• El proceso se realiza a T en presencia de agentes reductores

como: H2, CO y C. Cuando la reacción progresa, el gas debe penetrar en el interior de la partícula ⇒ velocidad de reducción puede estar limitada por la velocidad de difusión del gas en el sólido

• Características propias: Elevada porosidad –llamados ‘esponja’-

Descomposición térmica de carbonilos


Descomposición térmica de carbonilos••Fabricación de polvos mediante la combinación de vaporización Fabricación de polvos mediante la combinación de vaporización y condensación. y condensación. p.ep.e: Ni carbonilo, Au, Co, Ag, : Ni carbonilo, Au, Co, Ag, RdRd, , Pt.Pt.

••El metal reacciona con CO para formar MEl metal reacciona con CO para formar M--carbonilo. Para que la reacción se dé es carbonilo. Para que la reacción se dé es necesario aplicar simultáneamente P y T. Con posterior destilación fraccionada, se necesario aplicar simultáneamente P y T. Con posterior destilación fraccionada, se descompone de nuevo en el metal y el CO. Las reacciones que tienen lugar son:descompone de nuevo en el metal y el CO. Las reacciones que tienen lugar son:

••Fe+5CO Fe+5CO →→ Fe[CO]Fe[CO]5 5 Formación Formación PentacarboniloPentacarbonilo ––líquido a T ambientelíquido a T ambiente..••Fe[CO]Fe[CO]5 5 →→ Fe+5COFe+5CO Disociación con formación polvo fino a P y T>180Disociación con formación polvo fino a P y T>180--250ºC250ºC

••Resultado: Resultado: Elevada pureza, polvo redondeado o formando cadenas.Elevada pureza, polvo redondeado o formando cadenas.

Técnicas de Fabricación Químicas

Precipitación desde solución• Para iones divalentes, el proceso consiste en precipitación desde

solución acuosa utilizando H2• El concepto básico es que los iones metálicos de Ni, Co o Cu en

solución, reaccionen con un gas siguiendo:

• M2+ + H2 → M + 2H+Sherrington PS, Oliver R, Monograph in Powder Sci & tEch. Heyden NY, 1981: 122-139


Otras técnicasPrecipitación desde soluciones salinas: Calentando las soluciones de las sales solubles, se descomponen en sus respectivos metales y óxidos. Aplicaciones: UO2, Pt, Se, Te….. Descomposición de hidruros (Ti y Zr)Fragilización Química (Fe)Reacciones auto propagadas (Thermit reactions): reducción de un óxido con un polvo metálico que tenga una ∆G

ELECTRODEPOSICIÓN

de polvos metálicos


de polvos metálicos•Aplicaciones: Metales de elevada pureza: Pd, Cu, Ag, Mn, Fe, Zn, Co y Ni.

•Alta pureza•Baja productividad

Electrodeposición

La morfología final del polvo es dendrítica o esponja.

PRECIPITACIÓN en el CATODO de una CELDA ELECTROLÍTICA

Powder Metallurgy, Vol 7. ASM Handbook. Materials Park, OH : ASM International , 1998 . P: 71.


Obtención del Cu: El proceso

comienza con la disolución del

ánodo mediante la aplicación de

una ddp en un electrolito de

sulfato cobre/acido sulfúrico. El

cátodo poroso se saca, limpia,

seca, muele y recuece para

eliminar endurecimiento.


PROCESOS MECÁNICOS


PROCESOS MECÁNICOS

Principal método de producción para óxidos, metal duro.Técnica secundaria ampliamente utilizada para la adecuación de la distribución granulométrica final.

Métodos Mecánicos de Fabricación

PRINCIPALES OBJETIVOS

•Reducción del tamaño de partícula

•Cambio de la forma: escamas

•Engrosamiento del tamaño

•Formación de aglomerados

•Aleación en estado sólido (Aleación mecánica)

•Mezcla en estado sólido (aleación incompleta)

•Modificación, cambio o alteración de las propiedades del material: densidad, dureza, tamaño de grano….

•Mezcla de varios materiales o mezcla de fases.


MÉTODOS MECÁNICOS DE FABRICACIÓN

Hay 4 tipos de fuerzas que actúan (que normalmente se dan combinadas):

•Atricción (generación de partículas como residuo del desgaste generado entre partículas en bajo fricción)

•Cizalladura (rotura por procesos de cortadura-mat frágiles)

•Compresión: A velocidades más lentas que por impacto, fragilidad

•Impacto: Golpeo brusco

Métodos Mecánicos de Fabricación: Molienda

Proceso de conminución que aplica a Materiales Frágiles -óxidos y metales duros-y dúctiles (Bi, Fe electrolítico, pe)- para producir partículas en forma de escamas

IMPACTO

ATRICCIÓN

Powder Metallurgy, Vol 7. ASM Handbook. Materials Park, OH : ASM International , 1998 . P: 57

Etapas del proceso:1. Aproximación de las bolas

2. Atrapado y compactación de partículas.

3. Aglomeración

4. Abandono del aglomerado por energía


ATRICCIÓN

COMPRESIÓN

CIZALLADURA

Modelo de colisión, donde el material queda atrapado entre dos bolas moledoras en medio de una nube de material.

La tensión de fractura de una partícula frágil:

LrE··2=σ

L: Longitud grieta

R: radio de curvatura grieta

E: Modulo del material

4. Abandono del aglomerado por energía elástica.

Métodos Mecánicos de Fabricación: Molienda

Deformación Plástica

FracturaSoldadura

La interacción entre las bolas- partículas puede caracterizarse por procesos de:la soldadura en frío, la deformación plástica y posterior fractura.


� Distribución de tamaños de partícula producido por la tendencia de las partículas pequeñas a soldarse y las grandes a fracturarse.

Métodos Mecánicos de Fabricación: ALEACIÓN MECÁNICA

� REDUCE el tamaño de partícula.� Dispersión de polvos cerámicos en metales.Gran

HOMOGENEIZACIÓN.� Composición ESTEQUIOMÉTRICA: Compuestos intermetálicos: TiAl

y Ti3Al. � Nuevas aleaciones: férreas, de cobre

ALEACIÓN MECÁNICA: Principales APLICACIONES y Ventajas


� Nuevas aleaciones: férreas, de cobre� Fases metaestables� Materiales cerámicos a escala nanométrica� Amorfización de materiales� Sencilla, barata. (útiles de molienda: vasijas y bolas).

Reactivos Iniciales: Polvos comerciales (1-200 µm)

Disminución exponencial del tamaño de partícula a muy “bajos tiempos” de molienda.

Métodos Mecánicos de Fabricación: ALEACIÓN MECÁNICA

Molie

nda de alta

JONH BENJAMIN (1970)

INCO INCO -- International International NickelNickel CompanyCompany

Endurecimiento por dispersión de óxidos

Endurecimiento por precipitación de la fase γ’

SuperSuperSuperSuper aleaciones base Nialeaciones base Nialeaciones base Nialeaciones base Ni

ALEACIÓN MECÁNICA: Génesis


Molie

nda de alta

energ

ía

Proceso en estado sólido

Posibilidad de obtención de composicionescon contenidos de soluto por encima delestado de equilibrio ↔ atomización

Grandes cantidades de refuerzo

Eliminar problemas de homogeneización dela PM convencional

Síntesis de nuevos materiales

Eliminar problemas de reacciones nodeseadas de la PM convencional

Métodos Mecánicos de Fabricación: A.M.

INCONVENIENTES

� CONTAMINACIÓN proveniente de los cuerpos moledores

� Tiempos de molienda prolongados.

� Riesgos de oxidación

� Reactividad del polvo


� Reactividad del polvo

� Reproducibilidad

Mecanismos de Colisión Bola-polvo

Rg

Nc·230

π=

Esquema del movimiento de las bolas del molino:

a) Deslizamiento

b) Rodadura

c) Cascada

d) v > v crítica

Llenado 30-50% volumen

R: radio del molino en m

La máxima eficiencia de impacto ocurre a N=0.75Nc. El consumo de potencia (Q) es:


)( aia

f DDkW−− −=

RMCQ ··=

La eficiencia del proceso disminuye al hacerlo el tamaño de partícula. La energía involucrada viene dada por:

k: Kte que depende del material, las bolas, molino.

a: exponente [1 - 2]

Si Df→→→→0 �� W →→→→ ∞∞∞∞

La máxima eficiencia de impacto ocurre a N=0.75Nc. El consumo de potencia (Q) es:

M: peso de bolas + material

C: Kte. Que depende de la relación de llenado

Aleación Mecánica

Proceso deProceso de

ElevadaElevada

PARÁMETROS QUE CONTROLAN EL PROCESO

•Polvo/Reactivos iniciales

•Tipo de molino

•Medio de molienda (contenedores, bolas…)

•Temperatura


COMPLEJIDADCOMPLEJIDAD•Temperatura

• Atmósfera

•Relaciones de masa polvo-bolas: tiempo

•Agente controlador del proceso

•Velocidad molino

Parámetros del proceso

Temperatura

� Efectividad de las colisiones enestado sólido.

� Domina los mecanismos de difusión

Atmósfera

� Prevenir oxidación y contaminación.

� Atmósferas más usuales: He, Ar, N2

� La molienda se realiza bajo P de gas inerte.

Relación bolas : masa (g) �Tiempo

� El tiempo necesario disminuye con un aumento de la relación de masa (oscila entre 10:1 a


� El tiempo necesario disminuye con un aumento de la relación de masa (oscila entre 10:1 a

20:1).

� El número de colisiones � con el número de bolas → �Tmolienda + �Procesos dedifusión.

� Únicamente se producen las reacciones si se trabajan con elevadas relaciones de masa

bolas-polvo. En condiciones menos severas se producirán reacciones parciales, originando

siempre mezclas de fases

� Treacción varía con � tmolienda así como la cinética de la reacción al estar relacionados

con la frecuencia de las colisiones.


� Objetivo: Conseguir el balance entre los procesos de soldadura y fractura para conseguirun desarrollo adecuado del proceso

� Retrasa o suprime fenómenos de combustión.

� Inhibe la soldadura entre las partículas durante las colisiones. Es absorbido por lasuperficie de las partícula → evita la formación de aglomerados

� Disminuye la velocidad de reacción y el tamaño de las partículas. Difusión

Agente de control de proceso


� Consecuencias: Contaminaciones de C al tratarse de compuestos orgánicos →→dispersión de partículas finas

J. DURISIN et al, Advances in Powder Metalurgy and Particulate Materials. 9 (1992) 195-208


Velocidad de la molienda

� Es uno de los factores que determina la intensidad de la molienda, y con ello la energía

involucrada en el proceso.

� Determina: velocidad de colisión, la energía transferida a las partículas, y con ello la energía

a disipar en forma de calor y deformación


� Difusión

� Procesos de transformación

� Descomp. SS supersaturadas

� Contaminación

� Recristalización (↑TG, ↑ε)

Etapas de la AM entre materiales dúctiles


B.J.M. AIKIN and T.H COURTNEY, Metallurgical Transactions A. 24 (1993) 647-657.

Etapas de la AM entre materiales dúctil-frágil


Proceso rápido de dispersión y posterior difusión, donde las partículasfrágiles, según van fracturándose van introduciéndose dentro del materialdúctil. Esta difusión se ve favorecida por el ↑ T inherente a las colisiones

Ruiz-Navas EM, da Costa CE, Lopez FV, Castello JMT REV. METALURGIA, Vol. 36 (4) 2000: Pp:279-286

Molinos: grandes producciones

Capacidad máxima de 1250 Kg

Molinos con fines comerciales

(INCO, Inco Alloys International)



6. Caracterización de polvos

�� Propiedades metalúrgicasPropiedades metalúrgicas⇒⇒ Composición química e impurezasComposición química e impurezas

⇒⇒ MicroestructuraMicroestructura

⇒⇒ MicrodurezaMicrodureza

�� Propiedades geométricasPropiedades geométricas⇒⇒ Distribución de tamaño de partículaDistribución de tamaño de partícula

⇒⇒ Forma externa de la partículaForma externa de la partícula

⇒⇒ Estructura interna de la partícula (Porosidad)Estructura interna de la partícula (Porosidad)

Propiedades que describen las características de las partículas

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⇒⇒ Estructura interna de la partícula (Porosidad)Estructura interna de la partícula (Porosidad)

�� Propiedades físicasPropiedades físicas⇒⇒ FluenciaFluencia

⇒⇒ Densidad aparente y densidad del polvoDensidad aparente y densidad del polvo

⇒⇒ CompresibilidadCompresibilidad

�� Propiedades mecánicasPropiedades mecánicas⇒⇒ Resistencia en verde Resistencia en verde

�� Propiedades térmicasPropiedades térmicas⇒⇒ Curva de densificaciónCurva de densificación

⇒⇒ Transformaciones de fase .Técnicas: STA, DSC, TGTransformaciones de fase .Técnicas: STA, DSC, TG

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M

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