1. PRESENTACION

La sinterización es el proceso que consigue obtener productos metálicos o cerámicos con formas y propiedades prefijadas a partir del polvo o triturado elemental.

Las fases que comprenden el proceso son:

• Elaboración de la materia prima; los polvos o granos elementales.

• Mezcla, de componentes en función del producto.

• Conformado de la materia prima para adoptar la forma de la pieza pero con la resistencia mínima que permite su manipulación cuidadosa.

• Sinterizado, de la pieza conformada obteniendo la resistencia prevista en el diseño.

• Acabado, de la pieza gasta ultimar la especificación demandada, tanto dimensional como tratamientos térmicos o superficiales.

2. OBTENCIÓN DE GRANO O POLVO.

2.1 LA MOLIENDA

Es una técnica de fabricación mecánica, especificada para materiales frágiles como las cerámicas.

La molienda consiste en la fractura de los granos de material por el impacto sucesivo de las bolas o rodillos de una máquina machacadora. Previo a este paso puede haberse empleado una trituradora de mandíbulas para reducir el material a pequeños trozos. La reducción conseguida, es decir, el tamaño del polvo, es función directa de la velocidad y tiempo del tratamiento mecánico.

2.2 ALEACIÓN MECÁNICA

Está destinada a obtener granos de aleación a partir de los componentes más elementales.

El proceso es del tipo mecánico usándose un molino de bolas de alta energía.

2.3 TECNICAS ELECTROLÍTICAS

La deposición electrolítica se usa para la producción de polvos de cobre, paladio, hierro, zinc, manganeso y plata. Las condiciones de densidad de corriente y composición del electrolito se ajustan de manera que en lugar de obtener una capa coherente de depósito, éste sea dendrítico y esponjoso. Este depósito queda sobre el cátodo de cobre y al rasparlo cae al fondo del tanque. El precipitado se retira periódicamente del fondo del tanque electrolítico centrifugando para extraes el exceso de electrolítico y luego se lava en agua. Después de secado en un horno, se tamiza el polvo, y se muele el material de tamaño excesivo.

2.4 REDUCCIÓN QUÍMICA

Este proceso se utiliza en el caso del Wolframio y otros metales refractarios. También se aplica para producción de polvo de hierro.

En este proceso se tritura mineral magnetita de alta pureza a un grado de finura adecuado, mezclándolo con carbón pulverizado y calentado. El óxido de hierro se reduce a polvo de hierro, que es lo bastante fino para compactación directa.

2.5 DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA

Algunos metales pueden hacerse combinar con hidrógeno, formando hidruros. Los hidruros de tantalio, niobio y circonio son estables a temperatura ambiente, pero comienzan a disociarse en hidrógeno y el metal puro en forma de polvo cuando se calientan a unos 350ºC, fundamento de la descomposición térmica.

2.6 ATOMIZACIÓN

Se hace pasar un chorro de metal fundido frente a una corriente de gas inerte comprimido, y el polvo que así se forma se recoge en un sistema de colección de polvo. La velocidad del fluido condiciona la granulometría del polvo, la forma y el tamaño. Una variante muy extendida es la atomización centrífuga.

3- ACONDICIONAMIENTO DEL POLVO

Es la fase preparatoria a la conformación, y tiene el objetivo de facilitar la compactación y controlar las propiedades del producto, a través de:

El control del tamaño y forma del polvo por tratamiento mecánico.

El decapado del grano, si hubieran sufrido oxidaciones.

La homogeneización estadística de los polvos para conseguir la invariabilidad del proceso.

La mezcla de componentes y homogeneización para alcanzar la invariabilidad de la pieza en sus diversos puntos.

La adición de lubricantes, ligantes y activadores del sinterizado, cuyas funciones las observaremos en adelante.

4- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO BÁSICO DE SINTERIZACIÓN

Consta de las siguientes fases:

Compactación.

Sinterización.

4.1 LA COMPACTACIÓN

En la compactación se obtiene la forma deseada de la pieza, con dimensiones muy aproximadas, por medio de una fuerte compresión del polvo que rellena un molde que, como en la colada, es el negativo volumínico de la pieza a obtener. En la compactación se distinguen tres fases: el llenado del molde, la compresión y la expulsión.

En la fase de llenado, el molde se llena con el polvo que se ha mezclado previamente.

En la fase de compresión, la presión se ejerce con prensas mecánicas o hidráulicas. La presión se transmite a la masa de polvos de tres maneras diferentes:

Presión aplicada por un solo lado, simple efecto. La presión de compactación sólo se aplica a la masa de polvos por el punzón superior.

Presión aplicada simultáneamente por los dos extremos, doble efecto. La matriz está equipada con dos punzones móviles, uno inferior y otro superior.

Matriz flotante. En este caso la matriz está unida a la base por un muelle. La presión se aplica por el punzón superior, de manera que la fuerza de fricción de la masa de polvo con las paredes de la matriz obliga al desplazamiento de ésta hacia abajo.

Una vez se ha alcanzado la forma indicada por el molde, y la altura h prefijada, por la prensa, se extrae lo que constituye la pieza en verde. El proceso requiere que la pieza en verde tenga la suficiente resistencia que permita su manipulación aunque cuidadosa.

4.2 LA SINTERIZACIÓN

La fase de sinterización consiste en el tratamiento isotérmico de la pieza en verde durante el tiempo de operación, ts, y la temperatura, Ts, habitualmente inferior a la de fusión de sus partículas, e inferior a las de cambio alotrópico si lo tuviera.

Por medio de la sinterización, la pieza en verde se transforma en una pieza con la resistencia necesaria para ser aplicada con fines industriales, lo que se logra por la consolidación y extensión de las uniones cohesivas intersuperficiales.

El horno debe permitir la incorporación de atmósferas controlada, Atc, que aporten neutralidad química, como es el caso de vacío o de gases nobles (helio, argón, nitrógeno): o bien introduzcan elementos que permitan ciertas transformaciones por reacciones químicas.

5- LAS CARACTERÍSTICAS RESISTENTES DEL SINTERIZADO

5.1 LA FUNCIÓN DENSIDAD DEL COMPACTO

Se inicia el proceso con el llenado del molde con una masa Mm, de gramos de materia prima rellenando el volumen Vm, los que definen la densidad medida para la presión Pc=0, que se denomina densidad aparente a:

Cuando aplicamos presiones de compactación, por ejemplo la densidad del conformado V, crece con gradientes decrecientes conforme se incrementan las presiones, tendiendo a unos valores asintóticos con una densidad en verde Vm próxima a la densidad de la materia prima , lo que se justifica por los mecanismos de acoplamiento en mayor grado y plastificación interparticular.

Modelo de correlación de la densidad en verde con la presión aplicada:

La densidad en verde V está correlacionada con la presión de compactación, Pc, en una función exponencial amortiguada entre los valores mínimo, a, densidad aparente, y máxima, Vm es aproximadamente igual a , la densidad del material.

5.1.1 Determinación de la densidad aparente.

La densidad aparente es una función de las características geométricas del polvo, que esencialmente es definido por:

la forma del grano, fg

tamaño del grano, dg

distribución estadística de formas y tamaños, g

5.1.1.1 Influencia de la forma del grano

Se define la densidad aparente normalizada(an) como:

Las formas del grano han sido definidas por valores numéricos, fg, entre el 0 y el 6 cuando varía desde la máxima a la mínima simetría.

Para tamaños homogéneos de partículas, la máxima densidad aparente se consigue con formas de mayor simetría, esféricas, siendo ésta independiente del tamaño.

5.1.1.2 Influencia de la distribución de tamaños(g)

Puede incrementarse la densidad aparente por adición, a los tamaños grandes, de determinadas proporciones de partículas pequeñas, con la condición de que la dimensión de éstas sea inferior a la de los huecos que se observan en el empaquetamiento de las grandes. Así pues, la densidad de las partículas grandes, ag, se mejora porque los huecos pueden ser rellenados por las pequeñas. Se puede observar que nos encontramos con una función que dispone de un máximo, am, en el contenido xo de las partículas pequeñas.

El valor máximo, am, podemos calcularlo a partir de la densidad inicial de las partículas grandes, ag, y el relleno de los huecos, complemento del anterior (1-ag), por las partículas pequeñas. Es decir:

Correspondiendo a un contenido de partículas pequeñas, p:

5.1.1.3 El crecimiento de la densidad del compacto

Es evidente el control por la presión aparente, Pc, del crecimiento de la densidad del compacto, V, cuando se inicia el proceso de conformación por mecanismos de acoplamiento entre partículas y de deformación plástica que tienden a reducir el volumen de huecos, Vh, que están presentes tras el proceso de llenado.

5.1.1.3.1 Acoplamiento y ordenación interparticular.

Es la primera etapa, sucede a partir de la imposición de presiones externas (Pc) y determina la reducción del volumen de los huecos(Vh) por el acoplamiento entre los granos como consecuencia del deslizamiento mutuo.

El crecimiento de la densidad, disminución del volumen de huecos, es función directa de las posibilidades de deslizamiento de los granos respecto a sus vecinos por la acción de las presiones externas efectivas (Pe) transmitidas por compresión. Este deslizamiento está controlado por:

La simetría de las partículas.

Las partículas con mayor simetría muestran caras menos angulosas y permiten el deslizamiento entre ellas para alcanzar un mejor acoplamiento, lo que no ocurre entre las partículas asimétricas.

La lubricación.

El acoplamiento es facilitado por la lubricación existente entre partículas y de éstas con las paredes del molde. El lubricante facilita el deslizamiento entre las partículas y por tanto la reducción del volumen de los huecos.

5.1.1.3.2 Deformaciones localizadas

Para cada una de las conexiones intergranular las deformaciones localizadas suceden cuando se ha agotado el posible deslizamiento o cuando el deslizamiento está impedido.

Ultimada esta etapa, la deformación plástica prosigue de forma homogénea hasta que toda la masa esta sometida a compresión. La fase de plastificación se extiende desde el inicio de las presiones según se van colapsando los deslizamientos, si bien es una función creciente con el incremento de las presiones, Pc.

El mecanismo de acoplamiento tiene una incidencia mayor a bajas presiones en la disminución del volumen de huecos, y disminuye su influencia con el aumento de las presiones. Mientras que el mecanismo de plastificación tiene menor incidencia en bajas presiones, pero aumenta su influencia en la disminución del volumen de huecos según aumentan las presiones.

Para encontrar la correlación de la densidad en verde, V, con la presión de compactación deberemos correlacionar el volumen de huecos, Vh, con la densidad, V. Se cumple que:

Siendo:

Vm= Volumen de llenado antes de compactación.

Vc=Volumen después de compactación.

V=Volumen correspondiente a la densidad del material .

La densidad en verde del compacto, V, evoluciona desde la densidad aparente inicial de llenado, a, creciente en función exponencial amortiguada con la presión aparente aplicada. La ecuación que las relaciona es la siguiente(**):

5.1.2 LA DENSIDAD EN VERDE COMO FUNCIÓN DE LA ALTURA

El modelo de densidad(**) ha sido desarrollado con la hipótesis de que las presiones aplicadas, Pc, se transmiten con la misma intensidad en toda la masa de partículas como si se tratara de un líquido ideal. Sin embargo, ya se ha citado que aparecen rozamientos debidos a los deslizamientos entre partículas y de éstas con las paredes del molde.

La presión puntual efectiva del compacto decrece exponencialmente con la profundidad h del punto y el coeficiente de rozamiento r, y crece con el diámetro, dc, del compacto.

El efecto del lubricante en la conformación es reducir el coeficiente de rozamiento y con ello disminuir el gradiente de presiones con la profundidad.

La compactación con doble efecto consigue menores gradientes en las distribuciones de presiones en función de la altura.

5.1.3 MODELIZACIÓN DE LA RESISTENCIA EN VERDE

La densidad en verde es creciente, y amortiguada, con la presión de compactación, desde la densidad aparente, a, que consigue en el llenado del molde y la densidad máxima del metal o aleación, sin porosidad.

La de resistencia a compresión en verde, FV, es función de la sección de contacto, Sr, entre partículas y el esfuerzo cortante, . Es decir:

Sustituyendo en esta ecuación las siguientes expresiones:

Nos queda finalmente la expresión de la resistencia en verde:

Siendo CV una constante, condiciones de contacto, característica de la pieza compactada.

La correlación gráfica, que es lineal, excepto en las altas presiones, en las que se alcanza un proceso de amortiguación consecuencia del relleno total de promontorios. Hay que notar que la resistencia en verde es función del punto en que nos encontremos dentro de la pieza, ya que las presiones efectivas, Pc, varían con la profundidad.

5.1.3.1 Influencia de las características resistentes de las partículas.

El coeficiente K del modelo(**) está relacionado inversamente con el límite de fluencia en el sentido que materiales blandos muestran unos coeficientes K mayores:

La velocidad de compactación está controlada por el factor 1/Y que es indicador de la característica de plastificación del material.

5.1.4 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE COMPACTACIÓN

Existen procesos en los que la compactación se realiza a temperatura superior a la ambiente, lo que permite ganar en plastificación. Conocemos que el límite de fluencia YT en función de la variable de temperatura T es del tipo:

Siendo T el coeficiente de disminución.

Algunos procesos aprovechan las ventajas de las altas temperaturas en los procesos de compactación e incluso la posibilidad de aplicar presiones iguales en toda la masa de la pieza. Consiste en comprimir polvos confinados en cámaras metálicas de aceros extradulces convenientemente evacuadas y selladas por un gas, argón, y se calienta a temperaturas lo más altas posibles.

5.2 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE SINTERIZADO EN LA RESISTENCIA.

Existe un crecimiento lineal en los primeros momentos para sufrir un amortiguamiento para tiempos más prolongados hasta alcanzar la resistencia máxima -m que puede encontrarse con la densidad en verde inicial V.

Las causas de la influencia del tiempo de sinterización en la resistencia V, puede inferirse a la evolución del tamaño y forma de los poros que son consecuencia de la etapa de compactación.

Durante el tiempo de sinterización, los poros tienden a formas esféricas, eliminando prioritariamente sus formas de ángulos agudos; y las uniones entre granos de polvo sufren un incremento paulatino.

5.2.1 INFLUENCIA DE LA DENSIDAD EN VERDE SOBRE LA RESISTENCIA.

Se observa una correlación que se aproxima a la linealidad con pendiente importante, lo que induce la importancia del proceso de compactación con técnicas que alcancen altas densidades del compacto, V.

La densidad del compacto tiene influencia directa en el valor de la resistencia máxima, asíntota de la función exponencial, y en el crecimiento de la resistencia en el proceso de sinterización, pendiente en el origen.

5.2.2 CAUSAS DE LA EVOLUCIÓN DE LA RESISTENCIA CON LAS VARIABLES DEL SINTERIZADO.

Evolución de la forma del poro.

El poro, después de la compactación tiene la forma de un triángulo, evoluciona con el tiempo de sinterización hacia la forma esférica, en una secuencia que puede ser hipotetizada por las intermedia, con unas formas muy irregulares.

El poro tiende a formas esféricas, del máximo tamaño permisible, consecuencia de la menor energía superficial de esta disposición.

Tiempos grandes de sinterización tienden a aislar los poros desconectados, por el proceso de absorción de los pequeños por los grandes.

La velocidad de redondeo del poro y su desconexión de la red de poros es una función directa y exponencial con la temperatura de sinterización.

Las variables que muestran evolución en el tiempo y que tiene influencia sobre la resistencia son, por ejemplo:

La forma del poro, indicado por el ancho 2 a.

La sección de unión entre granos, g.

El radio del fondo de la entalla del poro, rf.

Podemos indicar que la tensión media que produce la rotura, V, está controlada por la tensión puntual que se desarrolla en el fondo de entalla f, que se conforma por los efectos de la sección útil menor, SU, sobre la total, S, y el efecto de multiplicación de tensiones de la entalla, Cf. Podemos indicar la función:

Quedando finalmente:

El aumento de resistencia por el tiempo del proceso de sinterización está justificado por la mayor sección útil de las gargantas de unión entre granos, y sobre todo, por el crecimiento del radio de los poros.

La amortiguación del crecimiento de la resistencia queda justificada cuando se alcanza la forma esférica del poro durante el proceso de sinterización.

5.3 VARIACIÓN DIMENSIONAL DEL SINTERIZADO.

El proceso de sinterización induce una contracción dimensional en la muestra, en función del tiempo, en beneficio del incremento de las uniones entre granos y de la disminución del tamaño del poro.

5.4 DATOS PARA LA SELECCIOÓN DE MATERIALES DE LA MATRIZ.

Es evidente que entre el polvo y matriz debe minimizarse el rozamiento a fin de conseguir el mayor aprovechamiento de la fuerza aplicada F y la mayor transmisión de la presión a todas las capas del compacto. La selección del material de la matriz debe realizarse atendiendo a los principios siguientes:

No debe posibilitar la difusión del polvo en la matriz impidiendo la formación de microsoldaduras.

La matriz debe ser de alto módulo de elasticidad, E, y baja rugosidad, Rm. Las matrices con recubrimientos cerámicos, nitruros, carburos o boruros, reúnen los requisitos de ausencia de filiación cristalina y alto módulo elástico.

El material de la matriz debe tener gran absorción de los lubricantes, los que permiten reducir el coeficiente de rozamiento, que hace disminuir el coeficiente r, inferior a la unidad.