Cómo funciona el proceso de atomización con gas
Índice
Visión general
La atomización con gas es un método de producción de polvo metálico que utiliza chorros de gas inerte a alta velocidad para desintegrar una corriente de metal fundido en finas partículas esféricas de polvo. El proceso de atomización de gas consigue un excelente control de la distribución del tamaño de las partículas de polvo, la morfología, la pureza y la microestructura.
Los principales atributos del polvo atomizado por gas son la forma esférica de las partículas, la alta pureza, los tamaños finos de hasta 10 micras y la composición uniforme. La atomización con gas facilita técnicas avanzadas de fabricación basadas en polvo, como el moldeo por inyección de metales, la fabricación aditiva y el prensado y sinterizado pulvimetalúrgico.
Esta guía ofrece una visión completa del proceso de atomización con gas y polvo. Abarca los métodos de atomización, la formación de partículas, los parámetros del proceso, los equipos, las aleaciones aplicables, las características del polvo, las especificaciones del producto, las aplicaciones y los proveedores. Se incluyen útiles tablas comparativas para resumir los detalles técnicos.
Cómo la Proceso de atomización de gas Obras
La atomización con gas convierte la aleación fundida en polvo mediante los siguientes pasos fundamentales:
Etapas del proceso de atomización con gas
- Fundición - La aleación se funde en un horno de inducción y se sobrecalienta por encima de su temperatura de licuefacción.
- Verter - Chorro de metal fundido vertido en una cámara de atomización
- Atomización - Los chorros de gas inerte a alta velocidad desintegran el metal en finas gotas
- Solidificación - Las gotas de metal se solidifican rápidamente en partículas de polvo a medida que caen por la cámara
- Colección - Partículas de polvo recogidas en un ciclón separador en la parte inferior de la torre
El fenómeno clave se produce cuando la energía cinética de los chorros de gas supera la tensión superficial del metal para cizallar el chorro de líquido en gotitas. Estas gotitas se congelan en partículas de polvo con morfología esférica.
Un cuidadoso control del proceso permite adaptar el tamaño de las partículas de polvo, la pureza y las microestructuras.
Métodos de atomización de gases
Existen dos métodos principales de atomización de gases utilizados en la industria:
Métodos de atomización de gases
| Método | Descripción | Ventajas | Limitaciones |
|---|---|---|---|
| Atomización por acoplamiento estrecho | Boquilla cerca del punto de fusión | Diseño compacto, menor consumo de gas | Posible contaminación de la masa fundida por la boquilla |
| Atomización de caída libre | Boquilla situada por debajo del punto de fluidez | Menor contaminación de la masa fundida | Requiere una torre de atomización más alta |
Los diseños con acoplamiento cerrado reciclan el gas de atomización, pero corren el riesgo de oxidación de la masa fundida. La caída libre ofrece una atmósfera más limpia con menos riesgo de reacción de la boquilla.
Otras variantes incluyen boquillas de gas múltiples, atomización ultrasónica, atomización centrífuga y diseños de boquillas coaxiales para aplicaciones especializadas.
Diseños de boquillas de atomización de gas
Diversos diseños de boquillas crean los chorros de gas de alta velocidad necesarios para la atomización:
Tipos de boquillas de atomización de gas
| Boquilla | Descripción | Patrón de flujo de gas | Tamaño de gota |
|---|---|---|---|
| De Laval | Tobera convergente-divergente | Supersonic | Amplia distribución |
| Cónica | Orificio cónico simple | Sónico | Medio |
| Hendidura | Orificio de hendidura alargado | Sónico | Pequeño |
| Múltiples | Conjunto de microboquillas | Sónico/supersónico | Distribución muy pequeña y estrecha |
Las boquillas De Laval utilizan la aceleración del gas a velocidades supersónicas, pero tienen una geometría compleja. Las boquillas sónicas con formas simplificadas ofrecen más flexibilidad.
Se consiguen gotas más pequeñas y una distribución de tamaños muy controlada mediante el uso de múltiples microboquillas o configuraciones de hendidura.
Formación y solidificación del polvo
El cizallamiento del metal fundido en gotas y su posterior solidificación siguen mecanismos distintos:
Etapas de la formación del polvo
- Ruptura - La inestabilidad del chorro Rayleigh provoca perturbaciones y formación de gotas
- Distorsión - Las gotas se alargan en ligamentos debido a las fuerzas de arrastre del aire
- Ruptura - Los ligamentos se rompen en gotitas cercanas al tamaño final
- Solidificación - El enfriamiento rápido por contacto con el gas y la radiación forma partículas sólidas
- Desaceleración - Pérdida de velocidad a medida que las partículas descienden por la cámara de atomización
Los efectos combinados de la tensión superficial, la turbulencia y el arrastre del aire determinan el tamaño final de las partículas y su morfología. Las velocidades máximas de enfriamiento de partículas superiores a 1.000.000 °C/s apagan las fases metaestables.
Parámetros del proceso
Los parámetros clave del proceso de atomización con gas incluyen:
Proceso de atomización de gas Parámetros
| Parámetro | Alcance típico | Efecto sobre el polvo |
|---|---|---|
| Presión del gas | 2-10 MPa | El aumento de la presión reduce el tamaño de las partículas |
| Velocidad del gas | 300-1200 m/s | Una mayor velocidad produce partículas más finas |
| Caudal de gas | 0,5-4 m3/min | Aumenta el caudal para un mayor rendimiento y tamaños más finos |
| Recalentamiento de fusión | 150-400°C | Un mayor recalentamiento reduce los satélites y mejora el flujo de polvo |
| Velocidad de fusión | 10-150 kg/min | Las tasas de vertido más bajas mejoran la distribución del tamaño de las partículas |
| Diámetro de la corriente de fusión | 3-8 mm | Un flujo mayor permite un mayor rendimiento |
| Distancia de separación | 0.3-1 m | La mayor distancia reduce el contenido de los satélites |
El equilibrio de estos parámetros permite controlar el tamaño de las partículas de polvo, la forma, la velocidad de producción y otras características.
Sistemas de aleación para atomización con gas
La atomización con gas puede procesar casi cualquier aleación en forma de polvo, incluyendo:
Aleaciones adecuadas para la atomización con gas
- Aleaciones de titanio
- Superaleaciones de níquel
- Superaleaciones de cobalto
- Aceros inoxidables
- Aceros para herramientas
- Aceros de baja aleación
- Aleaciones a base de hierro y níquel
- Metales preciosos
- Intermetálicos
La atomización con gas requiere temperaturas de fusión inferiores al punto de descomposición del gas de atomización. Los gases típicos son el argón, el nitrógeno y el helio.
Las aleaciones refractarias con puntos de fusión muy altos, como el wolframio, pueden ser difíciles de atomizar y a menudo requieren un procesamiento especializado.
La mayoría de las aleaciones requieren un sobrecalentamiento de la masa fundida muy por encima de la temperatura de liquidus para mantener la fluidez suficiente para la atomización en gotas finamente dispersas.
Características del polvo atomizado con gas
Características típicas del polvo atomizado con gas:
Características del polvo atomizado con gas
| Característica | Descripción | Significado |
|---|---|---|
| Morfología de las partículas | Muy esférica | Excelente fluidez, densidad de empaquetamiento |
| Distribución granulométrica | Ajustable en un rango de 10-150 μm | Controla la densidad prensada y el comportamiento de sinterización |
| Tamaño de las partículas | Puede lograr distribuciones ajustadas | Proporciona propiedades uniformes a los componentes |
| Pureza química | Normalmente >99,5% excluidas las aleaciones previstas | Evitar la contaminación por reacciones de la boquilla |
| Contenido de oxígeno | <1000 ppm | Fundamental para aleaciones de alto rendimiento |
| Densidad aparente | Hasta 60% de potencia teórica | Indicativo de presibilidad y manipulación |
| Porosidad interna | Muy bajo | Buena para la homogeneidad microestructural |
| Morfología de la superficie | Suave con algunos satélites | Indica la estabilidad del proceso |
La forma esférica y la distribución ajustable del tamaño facilitan el uso en procesos secundarios de consolidación del polvo. El control estricto del oxígeno y la química permite obtener aleaciones de alto rendimiento.
Especificaciones de los polvos atomizados con gas
Las especificaciones de las normas internacionales ayudan a definir:
- Distribución granulométrica
- Rangos de densidad aparente
- Caudales Hall
- Niveles aceptables de oxígeno y nitrógeno
- Microestructura y porosidad admisibles
- Límites de composición química
- Procedimientos de muestreo
Esto favorece el control de calidad y el comportamiento reproducible del polvo.
Especificaciones de los polvos atomizados con gas
| Estándar | Materiales | Parámetros | Métodos de ensayo |
|---|---|---|---|
| ASTM B964 | Aleaciones de titanio | Tamaño de las partículas, química, microestructura | Difracción de rayos X, microscopía |
| AMS 4992 | Aleaciones de titanio aeroespaciales | Tamaño de las partículas, contenido de oxígeno | Análisis granulométrico, fusión de gases inertes |
| ASTM B823 | Polvo de acero para herramientas | Densidad aparente, caudal | Caudalímetro Hall, volumétrico Scott |
| SAE AMS 5050 | Aleaciones de níquel | Tamaño de las partículas, morfología | Difracción láser, SEM |
| MPIF 04 | Muchas aleaciones estándar | Densidad aparente, caudal | Caudalímetro Hall, densidad de toma |
Las especificaciones se adaptan a los requisitos de las aplicaciones críticas de los sectores aeroespacial, automovilístico, médico y otras industrias orientadas a la calidad.
Aplicaciones del polvo atomizado con gas
Los polvos atomizados con gas permiten fabricar componentes de alto rendimiento mediante:
- Moldeo por inyección de metal (MIM)
- Fabricación aditiva (AM)
- Prensado isostático en caliente (HIP)
- Forja en polvo
- Rociado térmico y en frío
- Prensado y sinterización pulvimetalúrgicos
Ventajas frente a los materiales forjados:
- Geometrías complejas con rasgos finos
- Excelentes propiedades mecánicas
- Consolidación de densidad casi total
- Aleaciones nuevas y personalizadas
- Gama de materiales
La atomización con gas destaca en la producción de polvos esféricos y fluidos óptimos para el procesamiento automatizado de componentes intrincados con altos estándares de calidad en todos los sectores.
Proveedores mundiales de Polvos atomizados con gas
Entre los principales proveedores mundiales de polvos atomizados con gas figuran:
Fabricantes de polvo atomizado con gas
| Empresa | Materiales | Capacidades |
|---|---|---|
| ATI Polvos Metálicos | Titanio, níquel, aleaciones de acero para herramientas | Amplia gama de aleaciones, grandes volúmenes |
| Tecnologías de superficie Praxair | Aleaciones de titanio, níquel y cobalto | Amplia selección de aleaciones, procesamiento por encargo |
| Sandvik Osprey | Aceros inoxidables, aceros de baja aleación | Especialistas en materiales ferrosos |
| Höganäs | Aceros para herramientas, aceros inoxidables | Aleaciones personalizadas, polvos de fabricación aditiva |
| Aditivo para carpinteros | Aleaciones de titanio, níquel y cobalto | Aleaciones personalizadas, granulometrías especializadas |
Los proveedores regionales más pequeños también ofrecen polvos atomizados con gas, a menudo para aleaciones o aplicaciones especializadas.
Muchos proveedores también se encargan del tamizado, la mezcla, el recubrimiento y otras operaciones de postprocesado del polvo.
Ventajas y limitaciones de la atomización con gas
Atomización con gas: ventajas e inconvenientes
| Ventajas | Limitaciones |
|---|---|
| Morfología esférica del polvo | Mayores costes de capital inicial |
| Distribución controlada del tamaño de las partículas | Requiere gas inerte de alta pureza |
| Aplicable a muchos sistemas de aleación | Aleaciones refractarias difíciles de atomizar |
| Química y microestructura del polvo limpio | Puede sufrir erosión en la boquilla |
| El enfriamiento rápido del polvo preserva las fases metaestables | Requiere un sobrecalentamiento de la masa fundida muy por encima del liquidus |
| Proceso continuo de producción de polvo | La forma del polvo limita la resistencia en verde |
La forma esférica y los tamaños finos del polvo atomizado por gas ofrecen claras ventajas, pero suponen un mayor coste operativo frente a los procesos de trituración mecánica más sencillos.
Selección de polvo atomizado con gas
Aspectos clave a la hora de seleccionar polvo atomizado con gas:
- Química deseada y composición de la aleación
- Distribución del tamaño de las partículas
- Rangos de densidad aparente y de toma adecuados
- Límites de oxígeno y nitrógeno dictados por la aplicación
- Características de flujo para la manipulación automatizada de polvos
- Procedimientos de muestreo para garantizar la representatividad
- Experiencia técnica y servicio al cliente del proveedor
- Coste total
Probar prototipos ayuda a cualificar nuevas aleaciones y polvos atomizados con gas para una aplicación. La estrecha colaboración con el productor de polvo permite la optimización.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cuál es el tamaño de partícula más pequeño que puede producir la atomización con gas?
Las boquillas especializadas pueden producir polvo de un dígito de micra hasta 1-5 micras. Sin embargo, el polvo ultrafino tiene una densidad aparente muy baja y presenta fuertes fuerzas de Van der Waals entre partículas, lo que exige una manipulación cuidadosa.
¿Cuál es la causa de los satélites de polvo durante la atomización con gas?
Los satélites se forman cuando las gotas son demasiado grandes o chocan y se vuelven a unir parcialmente antes de solidificarse por completo. Un mayor recalentamiento, una menor velocidad de vertido y una mayor distancia de separación ayudan a reducir los satélites.
¿Por qué es necesario un gas inerte de alta pureza para la atomización de gases?
Los chorros de gas a alta velocidad pueden erosionar el metal de la boquilla con el tiempo y contaminar el polvo. Los gases reactivos como el nitrógeno y el oxígeno también afectan negativamente a la pureza del polvo y al rendimiento de la aleación.
¿En qué se diferencia la atomización con gas de la atomización con agua?
La atomización con agua produce un polvo más irregular con tamaños más grandes, normalmente de 50-150 micras. La atomización con gas permite tamaños más finos, de hasta 10 micras, con morfologías esféricas, preferibles para aplicaciones de prensado y sinterización.
¿Qué es la atomización centrífuga?
En la atomización centrífuga, el metal fundido se vierte en un disco giratorio que lanza finas gotas de metal fundido que se solidifican y se convierten en polvo. Este método ofrece mayores índices de producción que la atomización con gas, pero un menor control del tamaño y la forma del polvo.
¿Se puede cambiar rápidamente de aleación durante la atomización con gas?
Sí, con equipos especializados se puede cambiar rápidamente la corriente de fusión para producir polvos compuestos y aleados. Sin embargo, la contaminación cruzada entre aleaciones debe minimizarse mediante la purga de la cámara.
Conclusión
El proceso de atomización con gas produce polvos metálicos esféricos y fluidos con una distribución del tamaño de las partículas, una pureza y unas características microestructurales rigurosamente controladas, óptimas para procesos avanzados de consolidación de polvos en aplicaciones críticas. La manipulación cuidadosa de los parámetros del proceso y los diseños especializados de las boquillas permiten un control exhaustivo de las características finales del polvo. Con un desarrollo continuo, la atomización con gas proporciona a los ingenieros una mayor capacidad para fabricar componentes de alto rendimiento de formas nuevas y creativas.
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