CONTENIDOPROCESOS DE MANUFACTURA POR PULVIMETALURGIA...........1

INTRODUCCIÓN...........3

Diseñado por Amado de Dios (amado_dedios@hotmail.com) Página 1LIMA-PERÚ, 2015

PROCESOS DE MANUFACTURA POR PULVIMETALURGIA

Universidad Ricardo PalmaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Industrial

Facultad de Ingeniería

Profesor:

Amado Crisógono Castro Chonta

Curso:

Procesos de Manufactura I

Laboratorio N° 6

1. OBJETIVOS....................................................................................4

2. FUNDAMENTO TEÓRICO......................................................4

2.1 PULVIMETALURGIA...............................................................4

2.2 MOLDEO POR INYECCIÓN DE POLVOS METÁLICOS...................5

3. Materiales y equipos a utilizar………………………..………………………13

4. Detalles de la parte experimental…………………………………………….13

5. PRODUCTOS FABRICADOS POR ESTE PROCESO.....18

6. Ventajas y desventajas………………………………………..19

7. CONCLUSIONES....................................................................20

8. CUESTIONARIO.....................................................................21

9. BIBLIOGRAFÍA........................................................................21

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En el tema de nuevos materiales, varias de las grandes mejoras e innovaciones del siglo

pasado se han realizado gracias al desarrollo de la pulvimetalurgia (PM); el éxito de esta

técnica se debe a que abre la posibilidad de fabricar piezas de alta calidad de formas

complejas con dimensiones cercanas a las del producto final y con mejores propiedades

mecánicas, por su mayor homogeneidad y control del tamaño de los granos; factores

esenciales para lograr la formación de enlaces fuertes entre las partículas y en

consecuencia, incrementos en la dureza y tenacidad de los materiales.

1. OBJETIVOS

Conocer los procesos de manufactura de polvos metálicos llamado pulvimetalurgía Diferenciar y conocer las diferentes tecnologías de producción de polvos metálicos.

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INTRODUCCIÓN

Reconocer las ventajas (dimensiones exactas, geometrías difíciles, costos) del proceso de manufactura de metalurgia de polvos.

Conocer las aplicaciones industriales de las piezas manufacturadas de este proceso.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 PULVIMETALURGIALa pulvimetalurgia es un proceso de manufactura de conformación metálica, como la forja, o el moldeo. Esta técnica presenta un control dimensional muy exacto. La pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos metálicos hasta las piezas acabadas, es decir: producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabado. Su competidor más directo es el moldeo de precisión o moldeo a la cera perdida. La industria pulvimetalurgia se basa en la producción de grandes series en las cuales el costo del mecanizado influye decisivamente en el costo del producto sinterizado.

El Proceso comprende: Primero se encuentra el área etiquetado por "POLVOS" la que concierne a la naturaleza de los polvos. Énfasis se da a la fabricación, clasificación, caracterización y manejo de los polvos. Segundo punto concierne el muestreo, seguridad, empaquetamiento y transporte. La examinación de tamaños y formas de los polvos son actividades comunes e importantes en el área de las tecnologías de polvos. Las actividades de consolidación tradicional de polvos incluyen compactación y sinterización. Las preocupaciones en esta etapa son la formación y densificación de los polvos. Finalmente, el

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flujo termina haciendo énfasis en las propiedades finales, haciendo hincapié en la microestructura del producto.

Decisiones concernientes en el tipo de polvo y su fabricación influye cómo será la compactación y sinterización. De esta misma manera, el tipo de secuencia de consolidación aplicado al polvo afectará las propiedades del compacto final y metas específicas de algunas propiedades requieren que se ponga suma atención en el polvo, procesamiento y química.

2.2 MOLDEO POR INYECCIÓN DE POLVOS METÁLICOS

El moldeo por inyección de polvos, PIM (Powder Injection Moulding) y su variante aplicada a los metales (MIM, “Metal Injection Moulding”) constituye una tecnología de conformado de materiales desarrollada en los años veinte y que ha experimentado un gran avance, fundamentalmente, en los últimos quince años.

El refinamiento del equipo de moldeo de precisión desarrolló rápidamente la viabilidad comercial del MIM y se ha estimado que el crecimiento anual de esta tecnología es superior al 50%.

El moldeo de inyección se asocia estrechamente con la industria de los plásticos.

Es una nueva tecnología capaz de producir componentes fabricados a partir de polvos metálicos. Estos polvos son mezclados con un aglomerante polimérico y luego forzados, en estado viscoso, a entrar en una matriz con geometría cercana a la final que se quiere

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obtener. Las características del proceso lo hacen aplicable a partes o piezas que exhiban una geometría compleja, altas prestaciones y producción masiva. A esto hay que agregar las facilidades que la metalurgia de polvos entrega sobre el control microestructura de los materiales usados

Los principales usos son en el equipamiento y prótesis para tratamientos dentales, máquinas de oficina, instrumentos de laboratorio, motores aeroespaciales, circuitos impresos, herramientas para el maquinado, armas y en general piezas pequeñas, intrincadas y requeridas en materiales costosos y difíciles de procesar.

2.2.1 POLVO.- El moldeo por inyección requiere las siguientes características y propiedades del polvo:

En principio, una distribución de tamaños de partícula amplia para conseguir un mayor empaquetamiento, pese a dificultar la eliminación del ligante.

No deben aglomerarse. Ser esféricos. Deben tener una determinada fricción

entre partículas para mantener la forma una vez eliminado el ligante.

Las partículas de polvo no deben contener poros y han de tener una superficie limpia para lograr una buena interacción con el ligante.

METODOS DE PRODUCCION DE POLVOSHay varios métodos para producir metales en polvo, y en la mayor parte de los casos los polvos metálicos se pueden producir con más de un método. La elección depende de los requisitos del producto final. Los tamaños de partícula van desde 0,1µm a 1000µm (4µpulg a 0,04 pulg). Las materias primas metálicas suelen ser metales y aleaciones a granel, menas, sales u otros compuestos.La forma, tamaño, distribución, porosidad, pureza química y las características a granel y superficiales de las partículas dependen del proceso que se use en especial. Estas características son importantes porque afectan mucho el flujo y la permeabilidad durante la compactación y las operaciones siguientes de sinterización.

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1. Atomización: La atomización produce una corriente de metal líquido inyectando un metal fundido en un orificio pequeño. La corriente se desintegra con chorros de gas inerte, aire o agua. El tamaño de las partículas que se forman depende de la temperatura del metal, el caudal, el tamaño de la boquilla y las características de los chorros. En una variante de este método se hace girar un electrodo consumible, rápidamente, en una cámara llena de helio. La fuerza centrífuga desintegra la punta fundida del electrodo y forma partículas metálicas.

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2. Reducción: La reducción de óxidos metálicos (eliminación de oxigeno) requiere gases como hidrogeno o monóxido de carbono, como agentes reductores. Con este método los óxidos metálicos muy finos se reducen y pasan al estado metálico. Los polvos producidos por este método son esponjosos y porosos, y tienen formas esféricas angulares, de tamaño uniforme.

3. Deposición electrolítica: En este método se usan soluciones acuosas o sales fundidas. Los metales producidos son de lo más puro que se puede conseguir.

4. Carbonilos: Los carbonilos metálicos, como el carbonilo de hierro y el de níquel, se forman haciendo reaccionar hierro o níquel con monóxido de carbono. Los productos de reacción se descomponen a continuación para obtener hierro y níquel, en forma de partículas pequeñas, densas y uniformemente esféricas, de gran pureza.

5. Pulverización: La pulverización mecánica implica la fragmentación, molido en molino de bolas, o esmerilado de metales frágiles o menos dúctiles para obtenerlos en pequeñas partículas.

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6. Aleación mecánica: En este proceso se mezclan polvos de dos o más metales puros, en un molino de bolas. Por el impacto de las bolas duras, los polvos se rompen y se unen entre sí por difusión, formando polvos de aleación.

7. Otros métodos: Usados con menos frecuencia son a) precipitación de una solución química, b) producción de esquirlas metálicas finas por maquinado, y c) condensación de vapor. Entre los nuevos avances se incluyen técnicas basadas en procesos de metalurgia extractiva a alta temperatura. Los polvos metálicos se producen con técnicas de procesamiento a alta temperatura, basados en a)la reacción de los halogenuros volátiles con metales líquidos, y b)la reducción controlada y la reducción-carbonización de óxidos sólidos.

TAMAÑO, DISTRIBUCION Y FORMA DE LAS PARTICULASEl tamaño de partícula se suele medir cribando, esto es, pasando el polvo metálico a través de cribas de distintos tamaños de malla. Mientras mayor es el tamaño de la malla, la abertura en la criba es menor.

Además del análisis de la malla también hay otros métodos para analizar el tamaño de partícula:

1. Sedimentación: medir la rapidez con que se asientan las partículas en un fluido.2. Microscopia: el uso de la microscopia electrónica de barrido.3. Dispersión de luz de un láser: que ilumina una muestra de partículas suspendidas en un

medio líquido.

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4. Métodos ópticos: como el bloque de un rayo por las partículas, que se detecta con una foto celda.

5. Suspensión de partículas: en un líquido y a continuación detectar la distribución de tamaños de partícula mediante sensores eléctricos.

2.2.2 MEZCLADO DE POLVOS METALICOSSe lleva a cabo con los siguientes objetivos:

a) Se deben mezclar para obtener uniformidad. La mezcla ideal es aquella en la que todas las partículas de cada material se distribuyen uniformemente.

b) Se pueden mezclar polvos de distintos metales y otros materiales, para impartir propiedades y características físicas y mecánicas especiales al producto.

c) Se pueden mezclar lubricantes con los polvos para mejorar sus características de flujo.El mezclado se debe hacer bajo condiciones controladas para evitar contaminaciones o deterioro

LIGANTE POLIMÉRICO: El ligante es el componente sacrificado en el moldeo por inyección, aunque es crítico tanto a la hora del moldeo como de su eliminación. Es el medio utilizado para mantener las partículas unidas con el fin de obtener la forma deseada.

Los cinco tipos básicos de Ligantes en el moldeo de inyección de polvos (PIM) son:

Polímeros Termo fijos, como fenólicos Polímeros termoplásticos, como el polietileno Agua Geles Los materiales inorgánicos

RIESGOS: Los polvos metálicos son explosivos, en especial el aluminio, magnesio, titanio, circonio y torio. Se debe tener gran cuidado durante el mezclado y en el almacenamiento y el manejo. Entre las precauciones están a) conexión del equipo a tierra b) prevención de chipas y c) prevención de nubes de polvo, llamas descubiertas y reacciones químicas.

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2.2.3 COMPACTACION DE POLVOS METALICOSEs el paso en el que los polvos metálicos se prensan en matrices o moldes para obtener las formas. Las prensas se usan de manera hidráulica o neumática. Los objetivos de la compactación son obtener la forma, densidad y contacto entre partículas necesarios para que la parte tenga la resistencia suficiente y se pueda seguir procesando.

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3. Materiales y equipos a utilizar:

Polvo metálico de cobre y zinc, ligante polimérico, lubricante Trituradora y molino, mezcladora, horno

Máquina inyectora de polvos metálicas

Horno eléctrico.

4. Detalles de la parte experimental

Para la obtención de piezas por moldeo por inyección de polvos se tienen que seguir las etapas: selección del polvo y ligante polimérico, mezcla homogénea del polvo con el ligante, granulado de la mezcla, conformado por inyección en un molde, eliminación del ligante, y sinterización. Posteriormente las piezas obtenidas pueden ser sometidas a operaciones secundarias de acabado.

4,1 Selección del polvo y ligante polimérico

Los dos metales más utilizados para la producción de polvo para la fabricación de piezas son el cobre y el hierro. Como variaciones del cobre se utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón para pequeñas

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piezas de máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel, plata, tungsteno y aluminio.

4,2 Mezcla homogénea del polvo con el ligante

La obtención de piezas con buenas propiedades requiere comenzar con una mezcla ligante-polvo homogénea. La etapa de mezclado ha sido una práctica poco considerada y recientemente está empezando a ser optimizada. Un tamaño de la granza inadecuada, o una gran cantidad de finos, puede dificultar el proceso de inyección.

Muy fina de metal se mezclan con el polímero termoplástico (conocida como la carpeta) para formar una mezcla homogénea de los ingredientes que se ha granulado y directamente se introduce en una máquina de moldeo por inyección. Esta mezcla de granulado en polvo de polímero que se conoce como materia prima.

La medida del esfuerzo cortante, por geología, puede aportar idea de la carga de polvo crítica, así como de la viscosidad en función de la temperatura de la mezcla.

Es importante que el polvo y el polímero sean diseñados para producir poco desgaste. Para ello se requieren ligante con una viscosidad lo suficientemente grande para evitar que se produzca una separación del polvo durante el proceso de moldeo debido a las altas velocidades de deformación que se producen.

4,3 Conformado por inyección en un molde

En este punto se obtiene una pieza denominada “pieza en verde”, que puede manipularse con facilidad y que tiene unas dimensiones superiores a las de la pieza acabada.

En este proceso, la materia prima se calienta para fundir el contenido de la

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carpeta con el fin de formar la geometría del componente deseado. La pieza moldeada se conoce como la parte verde.

La inyección de las mezclas ligante-polvo puede realizarse a baja y alta presión.

En el primer caso se utilizan masas de inyección de gran fluidez a temperaturas

inferiores a 100ºC. La mezcla del material en polvo con el sistema ligante se

prepara y almacena en la propia máquina. Dicha mezcla se transporta e inyecta a

baja presión en el molde donde se solidifica por enfriamiento. Este sistema ofrece

la ventaja de la facilidad de preparación de la mezcla y de utilización de masas

fluidas fáciles de transportar, sin apenas rozamiento con las paredes de la

máquina y del molde. Sin embargo presenta la desventaja de la tendencia a la

segregación de los componentes metálicos de los orgánicos, lo cual puede

producir distorsiones y deformaciones en las piezas moldeadas en las etapas

sucesivas de eliminación y sinterización.

4,4 Eliminación del ligante

La eliminación del ligante es una de las etapas más importantes en el proceso de moldeo por inyección, ya que existe un gran volumen de materiales orgánicos que separan las partículas de polvo y rellenan los huecos existentes entre ellas. La eliminación debe hacerse sin que se produzcan grietas ni distorsiones en la pieza compactada.

La eliminación de los materiales orgánicos por tratamientos térmicos origina la presencia de gases y causa una contracción diferencial, que da lugar a tensiones y la pieza se debilita cuando se elimina el ligante.

Se pueden utilizar las siguientes técnicas:

4.4.1 Evaporación (o destilación) térmica (Pirolisis).

4.4.2 Extracción con solventes

4.4.3 Acción capilar o flujo en estado líquido.

4.4.4 Reacciones de Descomposición y Oxidación.

4.4.1 Evaporación: Incluye una volatilización lenta del material a elevada temperatura, la cual depende de las características de la composición específica del ligante. Factores químicos incluyen las especies gaseosas producidas y el residuo sólido. Aspectos físicos a considerar son la transferencia de masa y de

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calor y los cambios locales y globales en el empaquetamiento de las partículas. La velocidad de producción de gases debe controlarse y ser baja y debe difundir hacia la superficie sin causar defectos.

La elevación de la temperatura debe realizarse lentamente para evitar la rápida evolución de los gases, lo que podría causar la fractura o distorsión de la débil pieza cerámica en verde.

El periodo de tiempo necesario para la eliminación del ligante depende de su composición, pero también del empaquetamiento de las partículas de polvo cerámico y, por tanto, de la permeabilidad resultante. Como la eliminación gaseosa está controlada por la difusión, el espesor de la sección transversal de la pieza y su forma también influyen. Un periodo de 8 horas puede ser adecuado para una sección transversal de pequeño espesor (de unos pocos mm.), mientras que se necesitan periodos de 20 horas o incluso una semana para secciones transversales de 1 cm.

La evaporación puede realizarse bajo vacío, a presión atmosférica o con una sobrepresión. Un gas inerte presurizado puede usarse con el fin de evitar la ebullición. La degradación térmica del ligante puede producir diversos compuestos gaseosos y un residuo sólido, tal como el carbono.

Cuando el aire o los gases se mueven a través del ligante líquido pueden producir hinchamiento o ampollas en la pieza.

4.4.2 Extracción con solventes: Puede usarse cuando el plastificante, el lubricante y/o el ligante secundario son solubles en un solvente, en el cual no lo es el ligante principal. Entonces la extracción con solventes se lleva a cabo disolviendo el ligante secundario con un solvente en fase liquida o vapor. Esto solo puede realizarse si está presente otro ligante que no es soluble, con el fin de mantener las partículas unidas y, por tanto, la cohesión de la pieza mientras se está eliminando el ligante soluble. Este proceso se realiza a temperaturas inferiores a las del proceso de evaporación y, potencialmente, minimiza las tensiones de capilaridad y del vapor.

Una ventaja de esta técnica es que se forman canales que facilitan la eliminación posterior del ligante que permanece sin extraer.

4.4.3 Extracción por flujo líquido o capilaridad: Se realiza empaquetando la pieza moldeada dentro de un polvo fino, como puede ser carbón activo, que actúa como soporte poroso. Se aumenta la temperatura hasta que el ligante es lo suficientemente fluido para moverse de la pieza hacia el polvo circundante por la

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acción de la capilaridad. La ventaja de esta técnica es la eliminación del ligante orgánico sin que se formen grandes cantidades de gas.

4.4.4 Reacciones de descomposición y oxidación: Se utilizan para eliminar el ligante secundario y cualquier residuo que permanezca del ligante principal. Dichas reacciones ocurren a temperaturas más altas que las del proceso de evaporación y suelen ser del orden de 500 ºC. Los gases resultantes son H 2O, CO y CO2. La elevación de la temperatura debe realizarse lentamente, 2 a 5 ºC/h (velocidad de producción de gas baja) para permitir que los gases formados difundan hacia el exterior de la pieza porosa, sin que se produzca una presión elevada que cause la fractura de la pieza.

4.5 Sinterizado

Es el proceso por medio del cual con el aumento de la temperatura, las partículas de los cuerpos sólidos se unen por fuerzas atómicas.

Con la aplicación de calor, las partículas se prensan hasta su más mínimo contacto y la efectividad de las reacciones a la tensión superficial se incrementa. Durante el proceso la plasticidad de los granos se incrementa y se produce un mejor entrelazamiento mecánico por la formación de un lecho fluido. Cualquier gas presente que interfiera con la unión es expulsado. Las temperaturas para el sinterizado son menores a la temperatura de fusión del polvo principal en la mezcla utilizada.

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5. PRODUCTOS FABRICADOS POR ESTE PROCESO

Cojinetes porososUna de las ventajas del proceso de sinterizado y pulvimetalurgia, es que permite controlar el grado de porosidad de la pieza metálica.

Gracias a esta propiedad se pueden fabricar productos porosos que posteriormente se  impregnan con un aceite lubricante, en la cantidad deseada.

El aceite de los poros se libera mediante el calor generado por la fricción de las piezas mecánicas, reabsorbiéndose cuando la maquina deja de estar en funcionamiento, por lo que no necesitan mantenimiento.

Filtración:Gracias a la capacidad para poder controlar la porosidad se pueden fabricar filtros metálicos, utilizados en equipo de laboratorio y médico, equipos de soldadura autógena.  

Electricidad:Aleaciones de Cobre/Tungsteno para disipadores y contactos eléctricos.

Herramientas:Carburo de tungsteno y materiales de alta dureza, para herramienta muy resistente al desgaste.  Sector automotriz:Engranajes, bielas, partes del sistema de transmisión, partes de bombas de aceite y agua. 

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  Mecánica de precisión:Elementos en latón, acero  y bronce para cerraduras, piezas para relojería, gatillos de armas de fuego.

6. VENTAJAS Y LIMITACIONES

Ventajas

No se desperdicia material. Precisión dimensional y buen acabado. Tiempo de fabricación corto y costos reducidos. Piezas imposibles por otros medios: porosidad controlada, mezcla de

metales y no metales (cerámicos). La pulvimetalurgia reduce al mínimo las pérdidas de materias primas, ya

que sólo se usa la cantidad de polvo necesario para alcanzar el producto final.

Se facilita el control exacto de los límites de la composición. Se puede eliminar o reducir al mínimo las operaciones de mecanizado. Todas las operaciones son susceptibles de automatización. Se logran buenos acabados superficiales sin las señales propias del

moldeo. Es la única técnica que permite lograr una porosidad controlada y una

oxidación interna muy repartida apta para el endurecimiento. Evita las segregaciones. Permite la obtención de una serie de piezas muy extensa que no puede

realizarse por procedimientos convencionales.

LIMITACIONES:

Altos costos de equipos, herramientas y polvos metálicos Dificultades en almacenamientos y manejo de los polvos metálicos, además

de la degradación del metal a través del tiempo. Limitaciones en la forma de las partes, debido a que los polvos metálicos no

fluyen fácilmente en dirección lateral dentro del dado durante el prensado, y las tolerancias deben permitir que la parte pueda expulsarse del dado después del prensado.

Las variaciones en la densidad del material a través de la parte pueden ser un problema, especialmente para partes de geometría compleja.

Elevado costo de las matrices de compactación. Características mecánicas inferiores debido a la porosidad del material. Limitaciones de diseño: sección uniforme en la dirección de compactado,

esbeltez limitada, etc.

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Con el proceso de pulvimetalurgia se puede regular la porosidad de un material, atendiendo al fin del mismo.

6. CUESTIONARIO

1. Explicar y diferenciar los procesos de: la inyección de metal en matriz y la inyección de polvo metálico en matriz.

2. Explicar y discriminar las tecnologías más importantes para obtener polvo metálicos, graficar y mencionar los equipos.

3. Discutir y explicar por qué se elimina los ligantes en el proceso de manufactura. Señalar los ligantes más utilizados.

4. Explicar y discriminar la función que cumple el lubricante en la mezcla de manufactura de polvo metálico. Qué lubricantes se utilizan.

5. Explicar y describir las operaciones del proceso de manufactura por pulvimetalurgia, mediante un DOP, para los procesos de: a) Inyección de polvos en matriz y b) por prensado.

6. ¿Hacer una ilustración esquemática de la secuencia de operaciones y procesos para la: a) Inyección de polvos en matriz y b) por prensado?

7. Discutir y explicar las ventajas y limitaciones de este proceso.8. ¿Cuáles son las aplicaciones más comunes de la pulvimetalurgia para

fabricar productos de gran utilidad y presentar su correspondiente diagrama?

9. ¿Explicar y discutir cada etapa del proceso de sinterizado y por qué es importante este proceso?

10. ¿Explicar por qué la temperatura de sinterizado debe ser menor al punto de fusión del material metálico a utilizar?

11. Explicar las normas de seguridad industrial que debe aplicarse para este proceso visto desde el enfoque industrial.

12. Hacer un DOP que represente los pasos de un video de pulvimetalurgia por inyección en matriz y otro por prensado.

7. BIBLIOGRAFÍA

o http://www.pim-international.com/aboutpim/binders

o http://books.google.com/books?id=tcV0l37tUr0C&pg=PA409&dq=MIP+moldeo+por+inyeccion+de+polvos+

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metalicos&hl=es&ei=gLq1TdarEtLAgQfszNTrBw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CDYQ6AEwAA#v=onepage&q&f=false

o http://amt-mat.com/Powder_Injection_Molding_PIM.html

o http://www.uax.es/publicaciones/archivos/TECTIN05_003.pdf

o http://metalactual.com/revista/14/Pulvimetalurgia.pdf

o http://www.utp.edu.co/~publio17/temas_pdf/pulvimet.pdf

o http://kambry.es/Apuntes%20Web/Pulvimetalurgia.pdf

VIDEOS

http://m.youtube.com/watch?v=REzN30LhNkE

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