Producción de polvo metálico

Visión general

Polvos metálicos son partículas finas de metal que se utilizan como materia prima en técnicas de fabricación como la fabricación aditiva, el moldeo por inyección de metales y el prensado y sinterizado pulvimetalúrgico. Producir polvos metálicos especiales avanzados con un control preciso de la química, la distribución del tamaño de las partículas, la morfología y la microestructura es fundamental para las propiedades de los componentes acabados.

Existen varios métodos utilizados para la producción a gran escala de polvo metálico a partir de diferentes sistemas de aleación, entre los que se incluyen:

• Atomización de gas
• Atomización del agua
• Atomización por plasma
• Atomización de gas de fusión por inducción de electrodos
• Proceso de electrodo giratorio
• Proceso carbonílico
• Proceso electrolítico
• Procesos de reducción de metales

Cada proceso da como resultado polvos con características diferentes, adecuados para aplicaciones específicas.

Métodos de producción de polvo metálico

Polvo metálico Métodos de producción

Existe una gran variedad de métodos comerciales para producir polvos metálicos a partir de diferentes sistemas de aleación. La elección del método de producción depende de factores como:

• Tipo de material de aleación
• Requisitos de pureza
• Características deseadas del polvo como tamaño de partícula, forma, estructura del grano
• Escala de producción en toneladas anuales
• Aplicación final en polvo

Estos son algunos de los procesos industriales más comunes para la producción de polvo metálico:

Proceso de atomización de gas

En el proceso de atomización con gas, una corriente de aleación metálica fundida se desintegra mediante chorros de gas a alta presión, normalmente nitrógeno o argón. La corriente de metal se rompe en finas gotitas, que se solidifican en partículas de polvo.

Los polvos atomizados con gas tienen una forma esférica y una morfología superficial lisa. La distribución del tamaño de las partículas puede controlarse ajustando los parámetros del proceso. Se trata de una técnica muy utilizada para materiales reactivos como titanio, aluminio, aleaciones de magnesio, así como aceros inoxidables, aceros para herramientas y superaleaciones de níquel.

Atomización del agua

En la atomización con agua, la corriente de metal fundido es golpeada por chorros de agua a alta velocidad. El enfriamiento repentino provoca una explosión que rompe el metal en finas partículas. Los polvos tienen formas irregulares y contienen un mayor contenido de oxígeno por el contacto con el agua.

La atomización con agua es un proceso de bajo coste utilizado para producir grandes volúmenes de polvos de acero inoxidable, acero aleado, hierro y cobre para aplicaciones de tipo prensado y sinterizado.

Proceso de atomización por plasma

En el proceso de atomización por plasma, se utiliza una antorcha de plasma para fundir la aleación metálica antes de desintegrarla en finas gotas mediante chorros de gas. Las temperaturas ultraelevadas permiten atomizar con éxito elementos altamente reactivos como los aluminuros de titanio.

Los polvos tienen una forma muy esférica y una distribución de tamaños estrecha, adecuada para métodos de fabricación aditiva como la fusión por láser y la fusión por haz de electrones.

Proceso de electrodos rotatorios (REP)

En el proceso de electrodo giratorio, un electrodo metálico cilíndrico se hace girar a gran velocidad en una cámara evacuada. Se funde mediante un arco eléctrico y las gotas de metal fundido expulsadas por las fuerzas centrífugas se enfrían para formar polvo.

Los polvos REP tienen una estructura de grano y una morfología ideales para la extrusión en caliente en finos alambres y varillas para aleaciones aeroespaciales como el wolframio, el molibdeno y el tántalo.

Atomización de gas por inducción de electrodos (EIGA)

El proceso EIGA utiliza el calentamiento por inducción para fundir puntas de electrodos consumibles en una atmósfera de gas inerte. Las gotitas se someten a una atomización secundaria de gas mediante chorros de argón para formar polvos esféricos finos.

EIGA permite obtener superaleaciones de níquel reactivo de muy alta pureza para componentes aeroespaciales críticos mediante una fusión controlada y minimizando la contaminación.

Proceso carbonílico

En el proceso de carbonilación, el metal se convierte en un carbonilo volátil, que se descompone en condiciones controladas para producir partículas metálicas uniformes y ultrafinas. Este método es adecuado para producir polvos de hierro, níquel y cobalto de gran pureza.

Otros métodos de producción de polvo

Otras técnicas utilizadas para la producción de polvos metálicos especiales son:

• Proceso electrolítico: Se utiliza para producir polvos de cobre y níquel de forma irregular con morfología dendrítica mediante un proceso de electrodeposición.
• Procesos de reducción de metales: Reducción de óxidos metálicos mediante hidrógeno o carbono para producir polvos de titanio, circonio, wolframio y molibdeno.
• Aleación mecánica: Molienda de bolas de alta energía para sintetizar aleaciones compuestas y nanoestructuradas

Polvo metálico Especificaciones

Los atributos críticos de calidad y las especificaciones probadas para los polvos metálicos dependen del método de producción y de la aplicación de uso final, pero normalmente incluyen:

Química de polvos

• Composición de la aleación mediante espectroscopia de emisión óptica o de fluorescencia de rayos X
• Elementos de aleación menores
• Elementos de impureza como oxígeno, nitrógeno, hidrógeno
• Pruebas de pérdida por ignición a alta temperatura

Distribución del tamaño de las partículas

• Tamaño medio de las partículas
• Anchuras de distribución como D10, D50, D90

Caracterización de la forma de las partículas

• Microscopía electrónica de barrido para morfología
• Factores de forma como la relación de aspecto y el factor de forma

Microestructura

• Fases presentes mediante difracción de rayos X
• Características de los granos a partir de imágenes

Propiedades del polvo

• Densidad aparente/de toma
• Caudales a través de las pruebas de embudo del caudalímetro Hall
• Niveles de compresibilidad

Los requisitos de especificación de los polvos varían mucho en función de su uso final en diferentes aplicaciones:

Métodos de caracterización

Existen varios métodos analíticos utilizados para caracterizar las propiedades de los polvos metálicos esenciales para el rendimiento del producto:

Análisis granulométrico

Los métodos de difracción láser son los más utilizados para caracterizar la distribución del tamaño de las partículas. Esta técnica hace pasar un rayo láser a través de una muestra de polvo disperso que dispersa la luz en un ángulo que depende del tamaño de las partículas. El análisis informático del patrón de difracción proporciona datos estadísticos detallados de la distribución de tamaños en cuestión de segundos.

Morfología e imágenes de superficie

La microscopía electrónica de barrido (SEM) proporciona imágenes de alta resolución de la forma de las partículas de polvo, las topografías superficiales y las características con un aumento y una profundidad de enfoque mucho mayores en comparación con la microscopía óptica.

Las imágenes SEM se utilizan para estudiar el redondeo de las partículas, la formación de satélites, la suavidad de la superficie y defectos como la porosidad.

Medición de la densidad y las propiedades de flujo

Se han establecido métodos de ensayo estándar para cuantificar el comportamiento a granel utilizando:

• Embudo Hall para medir el caudal de polvo a través de un orificio
• Embudo de Carney para evaluar la fluidez mediante el ángulo de reposo
• Volúmetro Scott para determinar la densidad de toma y la compresibilidad

Estos métodos ayudan a predecir la facilidad de manipulación, mezcla, llenado de matrices y esparcimiento durante la fabricación de componentes.

Métodos de rayos X para composición y estructura cristalina

• La espectroscopia de fluorescencia de rayos X identifica y cuantifica con precisión la composición elemental de los metales
• La difracción de rayos X analiza las disposiciones atómicas y las fases presentes mediante patrones de picos de difracción

Aplicaciones de los polvos metálicos

Algunos de los principales usos finales de los polvos metálicos de ingeniería son:

Fabricación aditiva

También conocidas como técnicas de impresión 3D, como la fusión selectiva por láser (SLM), el sinterizado directo de metales por láser (DMLS) y la fusión por haz de electrones (EBM) para construir geometrías complejas a partir de polvos de titanio, aluminio, acero inoxidable, superaleaciones y cromo-cobalto.

Moldeo por inyección de metal (MIM)

Polvos como aceros inoxidables, aleaciones de titanio y aceros para herramientas se combinan con un aglutinante, se moldean por inyección y luego se sinterizan para fabricar piezas pequeñas y complejas en grandes volúmenes con costes más bajos.

Prensa pulvimetalúrgica y sinterización

Compactación y sinterización de polvos de hierro, cobre y aceros aleados en componentes de gran volumen como engranajes, bujes e imanes.

También hay aplicaciones especializadas en ámbitos como la soldadura, las herramientas diamantadas, la electrónica y los revestimientos superficiales que utilizan polvos metálicos especiales.

Proveedores y precios

Algunos de los principales proveedores mundiales de diversos polvos metálicos son:

Los precios de los polvos metálicos varían mucho según:

• Material y composición de la aleación
• Método de producción utilizado
• Procesamiento para conseguir las características de las partículas
• Niveles de pureza y grado de contaminación
• Volúmenes de compra: los contratos de gran volumen conllevan precios más bajos

Los precios base típicos por kilogramo son:

Los precios suben considerablemente para distribuciones granulométricas muy personalizadas, niveles controlados de oxígeno y nitrógeno por debajo de 100 ppm y compras de lotes pequeños.

Ventajas y limitaciones de la pulvimetalurgia

Ventajas de la pulvimetalurgia

• Capacidad para producir geometrías complejas que no son posibles mediante fundición o mecanizado.
• La fabricación con forma casi de red reduce el desperdicio de material
• Pueden utilizarse metales y aleaciones de mayor rendimiento
• Estructuras de porosidad consistentes que no son posibles en la metalurgia de lingotes
• Componentes personalizables en masa

Limitaciones de la producción y transformación de polvo

• La inversión de capital en equipos de producción y manipulación es muy elevada
• El aumento de la superficie hace que la manipulación de polvos pirofóricos reactivos sea arriesgada
• Alcanzar densidades de compactación elevadas puede requerir altas presiones
• Pasos adicionales del proceso en comparación con la fundición
• Portabilidad de las máquinas AM debido a que el polvo es LO/NO

He aquí una rápida comparación de la pulvimetalurgia con el proceso de fundición convencional:

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuál es el tamaño típico de las partículas de los polvos metálicos para impresión 3D?

R: En tecnologías de lecho de polvo como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM), el tamaño óptimo de las partículas oscila entre 15 y 45 micras. Los polvos más finos mejoran la resolución, pero pueden ser difíciles de manipular y procesar.

P: ¿Qué determina la morfología de los polvos metálicos a partir de distintos métodos?

R: Los factores de producción, como la intensidad de las fuerzas de ruptura de la corriente de fusión por chorros de gas o impactos de agua y las velocidades de enfriamiento posteriores, determinan la forma de las partículas. Un enfriamiento más rápido produce partículas irregulares y dendríticas, mientras que una solidificación más lenta (atomización esférica) permite obtener estructuras lisas y redondeadas.

P: ¿Por qué es importante la alta pureza de los polvos metálicos en la fabricación aditiva?

R: Las impurezas pueden causar defectos, problemas de porosidad, alterar las microestructuras de las aleaciones, reducir la densidad y afectar al rendimiento bajo cargas y temperaturas, lo que repercute negativamente en las propiedades mecánicas. Los niveles de oxígeno por debajo de 500 ppm y de nitrógeno por debajo de 100 ppm se han convertido en habituales.

P: ¿Cómo se manipulan los polvos metálicos de forma segura durante su transporte y almacenamiento?

R: Los polvos metálicos reactivos se pasivan para crear superficies oxidadas que minimicen el riesgo de inflamabilidad. Los polvos se sellan en bidones bajo gases inertes como el argón en lugar de aire durante el transporte para evitar la ignición. Los contenedores de almacenamiento deben estar debidamente conectados a tierra. El personal utiliza EPI especializados durante la manipulación.

P: ¿Cuáles son los métodos habituales de caracterización del polvo?

R: La flujometría Hall, las pruebas de densidad de toma, la picnometría, las pruebas de LOI, el análisis espectrográfico, la metalografía y la distribución del tamaño de las partículas mediante láser o técnicas de tamizado son vitales para cuantificar el comportamiento, crear un control de procesos de calidad para la producción de polvo metálico y evaluar la idoneidad de los lotes para determinadas aplicaciones.

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