Domina la Metalurgia de Polvos: Guía Completa para Ingenieros

La metalurgia de polvos es uno de los cursos importantes que los ingenieros mecánicos deben conocer. Los productos de este material son comunes a nuestro alrededor, especialmente en automoción. La metalurgia de polvos comprende una familia de tecnologías de producción para fabricar componentes de diversos tipos. Además, abreviada como MP, es un término que abarca una amplia gama de formas en que materiales o componentes se fabrican a partir de polvos metálicos.

Hoy conocerás la definición, importancia, tipos, proceso, aplicaciones, así como ventajas e inconvenientes de la metalurgia de polvos en la vida moderna.

¿Qué es la metalurgia de polvos?

La metalurgia de polvos es un proceso de fabricación para producir objetos terminados o semiterminados. Se hace comprimiendo polvo metálico en matrices adecuadas. Es uno de los procesos metalúrgicos más baratos que ofrece alta calidad y resistencia. También permite obtener formas complejas con alto grado de precisión. Por ello, es apta para producción en serie. Implica principalmente cuatro pasos básicos: preparación del polvo, mezcla y homogenizado, compactado y sinterizado. Todos se explicarán en este artículo.

La metalurgia de polvos existe desde hace más de 100 años, consolidándose en el último cuarto de siglo. Ha sido un método superior para producir piezas de alta calidad para aplicaciones importantes. Tuvo éxito por sus mayores beneficios frente a otros procesos de conformado como forja y fundición: aprovechamiento del material, complejidad de forma, control dimensional near-net-shape, entre otros. Por esto, se reconoció como tecnología verde.

Además, permite fabricar componentes únicos imposibles de obtener por fusión o conformado. Un producto importante es el carburo de tungsteno (WC). Se usa para cortar y conformar otros metales y se fabrica a partir de partículas de WC aglomeradas con cobalto. Este proceso se usa mayormente en industria para herramientas de diversos tipos y globalmente se producen ~50 000 t/año por MP.

Aplicaciones de la metalurgia de polvos

Aplicaciones de componentes de metalurgia de polvos en diversos campos:

Aplicaciones en automoción

~80 % de las piezas de metalurgia de polvos son para automoción. ~75 % de estos componentes son para transmisiones (automáticas y manuales) y piezas de motor. En transmisiones: piezas de sistema sincronizador, cubos de embrague, componentes de cambio, portasatélites, cubos de turbina, embrague, placas de bolsillo. Piezas de motor: poleas, piñones y cubos, especialmente los asociados al sistema de distribución, guías de válvula, asientos de válvula, lóbulos MP para árboles de levas ensamblados, engranajes equilibradores, tapas de cojinete de levas, anillos de sensor de gestión del motor.

Otros sistemas de automoción que usan metalurgia de polvos:

• Bombas de aceite, especialmente engranajes.
• Amortiguadores: guías de vástago, válvulas de pistón, válvulas de fondo.
• Sistemas ABS: anillos de sensor.
• Bridas, bosses de sonda lambda de sistemas de escape.
• Sistemas de distribución variable.
• Turbocompresores
• Sistemas de recirculación de gases de escape (EGR)
• Componentes de chasis
• Transmisiones continuamente variables.

Otras aplicaciones:

• Aplicaciones aeroespaciales
• Industria del petróleo y gas
• Sector sanitario, etc.

En resumen, aplicaciones de la metalurgia de polvos:

• Herramientas de corte: herramientas de metal duro cementado, herramientas cerámicas, son productos MP.
• Bujes eléctricos hechos mezclando Cu y Ag con grafito son productos MP.
• Boquillas para cohetes y misiles.
• Piezas pequeñas en automoción y electrodomésticos donde la capacidad de producir forma casi final con mínimo mecanizado da gran ventaja económica.
• Cojinetes, bujes, etc.
• Metales magnéticos blandos como Fe, Fe-3Si, etc., se conforman fácilmente en forma final por MP.

Proceso de metalurgia de polvos

Como se dijo, la metalurgia de polvos tiene cuatro procesos básicos:

Preparación del polvo:

Antes de producir un objeto, el material debe convertirse en polvo. Procesos: atomización, molienda, reacción química, electrólisis, etc.

Mezcla y homogenizado:

Mezcla de dos o más polvos para producir aleación de alta resistencia. Según requisitos del producto. Este paso asegura distribución uniforme del polvo con aditivos, aglutinantes, etc. Para mejorar la fluidez del polvo, a veces se añaden lubricantes en la mezcla.

Compactado:

Comprime la mezcla de polvo preparada en matrices predefinidas. Reduce huecos y aumenta densidad del producto. El polvo se compacta en molde bajo presión para formar un «compacto verde» (green compact). La presión oscila entre 80 y 1600 MPa. Depende de propiedades del polvo y aglutinantes: para polvos blandos ~100-350 MPa; para acero, hierro ~400-700 MPa.

Sinterizado:

Como el compacto verde no es lo bastante resistente para usarse como pieza final, se sinteriza. Sinterizar es calentar el compacto verde a temperatura elevada para obtener unión permanente fuerte. El proceso da resistencia al compacto y lo convierte en pieza final. Generalmente, la temperatura de sinterizado es ~70-90 % de la temperatura de fusión del polvo metálico.

Operaciones secundarias:

Dado que el objeto sinterizado es más poroso que material totalmente denso. La densidad depende de capacidad de prensado, temperatura de sinterizado, presión de compactado, etc. A veces no se requiere alta densidad, pudiendo usarse el pieza sinterizada directamente. Aunque a veces se necesita alta densidad (ej. cojinetes). La operación secundaria logra alta densidad y precisión dimensional. Operaciones comunes: calibrado (sizing), acuñado (coining), infiltración, forja en caliente, impregnación, etc.

Mira el vídeo para aprender sobre el proceso de metalurgia de polvos:

Tipos de procesos de metalurgia de polvos

Pueden realizarse de diversas formas según el producto. A continuación, los tipos en industrias de polvo metálico.

Proceso convencional de metalurgia de polvos:

Con el diagrama siguiente, se explica el proceso convencional. Implica mezclar polvos elementales o de aleación, compactar en matriz y sinterizar en horno de atmósfera controlada, ligando metalúrgicamente las partículas.

Como se mencionó, la mayoría de piezas MP pesan <5 lb (2,27 kg), aunque algunas de 35 lb (15,89 kg) pueden fabricarse en equipos convencionales. Piezas como bujes y cojinetes tienen formas simples. Hoy existen procesos MP sofisticados que producen componentes con contornos complejos y múltiples niveles. Estas máquinas son bastante económicas.

Moldeo por Inyección de Metal (MIM - Metal Injection Molding)

Capacidad de fabricar formas complejas en grandes cantidades. Polvos finos <20 µm se usan. Se formulan a medida con aglutinante (termoplásticos, ceras, etc.) en una materia prima (feedstock). Esta se inyecta en cavidad (múltiples) de máquina de inyección convencional. Al extraer el componente «verde», casi todo el aglutinante se extrae por proceso térmico o con solvente. El resto se elimina durante el sinterizado en horno de atmósfera controlada.

Estos procesos son muy similares a inyección de plástico y fundición a alta presión. Pueden producir muchas de las mismas formas y características. Pero se limitan a piezas relativamente pequeñas (típicamente <250 g), altamente complejas que de otro modo requerirían mecanizado extensivo. Beneficios: propiedades mecánicas cercanas a materiales forjados; tecnología net-shape con buen control dimensional; capacidad casi ilimitada de forma y geometría; altas tasas de producción mediante utillaje multi-cavidad.

Prensado Isostático (Isostatic Pressing)

Proceso popular de conformado en metalurgia de polvos. Aplica presión igual en todas direcciones sobre el compacto de polvo. Logra máxima uniformidad de densidad y microestructura sin limitaciones geométricas del prensado uniaxial.

Puede hacerse en frío o en caliente. El diagrama siguiente describe el prensado isostático en frío (CIP), usado para compactar piezas verdes a temperatura ambiente. El prensado isostático en caliente (HIP) consolida totalmente piezas a temperatura elevada por difusión en estado sólido. Este proceso en caliente también puede eliminar porosidad residual de pieza sinterizada MP.

Fabricación Aditiva Metálica (Metal Additive Manufacturing)

Abreviada AM, también llamada impresión 3D. Tiene potencial para cambiar profundamente la producción, time-to-market y simplicidad de componentes y ensamblajes. No funciona como procesos convencionales o sustractivos (torno, taladro), que crean piezas retirando material. La fabricación aditiva construye piezas capa a capa directamente desde modelo digital.

No se usan moldes ni matrices, por lo que no hay desperdicio de material que encarecería la fabricación. La AM se usó como herramienta de diseño y prototipado largo tiempo. Ahora su foco cambia a producción directa de componentes: piezas de motor de avión, implantes médicos, joyería.

No es un único tipo de tecnología o proceso. Sin embargo, todos los sistemas AM emplean enfoque capa a capa común, pero usan amplia variedad de materiales, tecnologías y procesos.

Tecnologías AM que usan polvos metálicos:

• Sinterizado láser (LM/SLS/SLFS)
• Inyección de tinta selectiva (SIB)
• Fusión por haz de electrones (EBM)
• Conformado por polvo láser (LPF)
• Proceso de lecho de polvo (Powder bed process)
• Modelado por deposición fundida (FDM)/Extrusión

Ventajas e inconvenientes del proceso de metalurgia de polvos

Ventajas:

Beneficios del proceso:

• Rentable para producción en serie: no hay coste adicional de mecanizado, mano de obra, etc.
• No se requiere operario altamente cualificado.
• Algunas aleaciones solo pueden producirse por tecnología MP.
• Productos bimetálicos y laminados fácilmente producibles.
• Alta tasa de producción: 500-1000 piezas/hora.
• Formas complejas fácilmente producibles.

Inconvenientes:

Limitaciones a pesar de sus ventajas:

• Coste de equipamiento elevado.
• Costoso para producción unitaria.
• Diseños intrincados difíciles por baja fluidez del polvo metálico.
• No se pueden producir productos totalmente densos y uniformes.
• Tamaños limitados por capacidad de prensado.
• Polvos metálicos con riesgo de explosión no pueden usarse.
• Difícil fundir metales de bajo punto de fusión por MP.
• Piezas finales pueden tener bajas propiedades de impacto y fatiga.

Conclusión

La metalurgia de polvos ha facilitado la producción en serie de piezas. Disponible desde hace tiempo, sigue avanzando con la tecnología. Hoy hemos aprendido definición, tipos, proceso, aplicaciones. También examinamos ventajas e inconvenientes.

Espero que hayas sacado provecho; si es así, compártelo con otros estudiantes técnicos. ¡Gracias por leer! Hasta la próxima.