La sinterización en la metalurgia de polvos
¿Qué es la sinterización en la metalurgia de polvos?
Esta fue la pregunta que se planteó en una reciente encuesta realizada a una muestra de ingenieros que trabajan en diversas empresas de la industria manufacturera.
El resultado: nadie fue capaz de dar una definición 100% correcta de la sinterización y de cómo funciona el mecanismo de sinterización. Además, las impresoras 3D se han añadido a la mezcla para crear más confusión sobre el tema en los últimos años.
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Por ello, hemos elaborado este artículo claro y conciso para informarle sobre qué es exactamente la sinterización.
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Por ello, hemos elaborado este artículo claro y conciso para informarle sobre qué es exactamente la sinterización.
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Definición
Empecemos con una definición:
"El proceso de sinterización en metalurgia de polvos es una forma de tratamiento térmico. Un proceso de sinterización convencional calienta el material justo por debajo de su punto de fusión. Una temperatura de sinterización precisa permite que los metales mantengan sus propiedades beneficiosas al tiempo que se fusionan firmemente. Es un proceso muy utilizado en la metalurgia de polvos".
La sinterización se emplea para dar resistencia y una estructura sólida a un determinado material, con el objetivo de dar forma a los polvos metálicos en un modelo para el usuario final. La sinterización tiene lugar en un horno especial con diversas zonas de temperatura.
Proceso de sinterización en la metalurgia de polvos: 4 etapas
Ahora que hemos explorado qué es la "sinterización" en la metalurgia de polvos y para qué se utiliza, vamos a profundizar un poco más en el proceso sin ponernos demasiado técnicos.
Este proceso consiste en tres fases principales:
- La elección de la aleación
- La fase de prensado
- La fase de sinterización
- Etapa de acabado
Vamos ahora a analizar cada fase.
La elección de la aleación
La primera etapa del proceso de sinterización depende de la aleación elegida, y consiste en mezclar estos componentes elegidos en forma de polvo.
Este proceso depende de las características que el usuario quiera conseguir para el producto encargado.
Las mezclas pueden ser estándar o especiales:
- Estándar: aleaciones más comunes, utilizadas para productos de trefilado de barras y chapas.
- Especiales: aleaciones a medida, para el producto específico que el cliente quiere crear.
Pero ¿qué se necesita para hacer estas mezclas especiales?
- Un buen conocimiento de la metalurgia.
- Experiencia en el comportamiento del producto final (resultado de una relación equilibrada y estudiada entre los componentes).
Aunque se requiera un conocimiento profundo y una fase de planificación del producto, la mayoría de las veces son necesarias pruebas empíricas para obtener las características adecuadas.
Sin embargo, esto no es un reto tan grande como podría parecer.
¿Por qué?
Recorramos juntos el proceso:
1. Puede mezclar los distintos componentes internamente, creando un proceso de "prueba y error".
2. Se crea una gran muestra de chips con diferentes mezclas con diversas características mecánicas.
3. Puedes probar cada una de ellas y elegir cuál es la que satisface tus necesidades.
4. Define la mezcla más adecuada para conectarla en el archivo con tu número de pieza.
La fase de prensado
La segunda etapa del proceso de sinterización es la fase de prensado. Es cuando la pieza toma su forma.
Los elementos clave de la fase de prensado son:
- Prensas hidráulicas de doble efecto
- El molde
- Troqueles
Las prensas hidráulicas de doble efecto, que aplican presión desde arriba y desde abajo, son las protagonistas para crear una "pieza verde" que debe satisfacer las características requeridas.
Un aspecto fundamental a considerar, en función de las dimensiones de las piezas, son los diferentes tonelajes de prensado.
Pero, en primer lugar, hay que fabricar un molde o troquel. Los moldes o troqueles empleados en el sinterizado son más sencillos y baratos que los utilizados en otros procesos de fabricación, como el moldeo por inyección de metales (que definiremos más adelante), el moldeo por inyección de plásticos, la fundición a presión de zamak o aluminio y otros.
La matriz es un bloque de acero circular por fuera con una cavidad de la forma deseada. Un punzón superior y otro inferior conectados a los cilindros superior e inferior de la prensa completan la matriz.
El resultado en esta fase será un bloque con forma pentagonal. La altura de la pieza puede variarse trabajando con los golpes de los punzones.
Una característica clave de la MP es la capacidad de producir algunos perfiles interiores y exteriores bastante complejos. Tanto los componentes del punzón como de la matriz se suelen fabricar mediante electroerosión por hilo, que es una técnica de mecanizado económica y de gran precisión.
Un aspecto fundamental a considerar, en función de las dimensiones de las piezas, son los diferentes tonelajes de prensado.
Pero, en primer lugar, hay que fabricar un molde o troquel. Los moldes o troqueles empleados en el sinterizado son más sencillos y baratos que los utilizados en otros procesos de fabricación, como el moldeo por inyección de metales (que definiremos más adelante), el moldeo por inyección de plásticos, la fundición a presión de zamak o aluminio y otros.
La matriz es un bloque de acero circular por fuera con una cavidad de la forma deseada. Un punzón superior y otro inferior conectados a los cilindros superior e inferior de la prensa completan la matriz.
El resultado en esta fase será un bloque con forma pentagonal. La altura de la pieza puede variarse trabajando con los golpes de los punzones.
Una característica clave de la MP es la capacidad de producir algunos perfiles interiores y exteriores bastante complejos. Tanto los componentes del punzón como de la matriz se suelen fabricar mediante electroerosión por hilo, que es una técnica de mecanizado económica y de gran precisión.
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La fase de sinterización
¿Qué ocurre después de la fase de prensado?
Después de la fase de prensado, podemos tener tres situaciones diferentes en función del tamaño de los lotes:
1. Bajo (x<1.000 piezas): un operario físico toma el bloque hexagonal y lo deposita en una caja.
2. Media (x1.000-20.000 piezas): un sistema automatizado de la prensa desplaza la pieza hacia una "tolva" para que se deposite en una caja.
3. Grande (x>20.000 piezas): se puede utilizar un robot para descargar la pieza en la caja.
Sin embargo, seguimos hablando de un estado de polvo comprimido (frágil y aún no sinterizado), lo que significa que se necesita un operario físico incluso en lotes de tamaño medio. En este caso se produce un aumento del coste.
Regresando a la fase de producción, el bloque ha llegado a la caja. Aquí la colocación depende de la forma, el peso y otros factores.
Hay tres opciones estándar:
- A granel.
- Dispuestas en filas y una encima de la otra.
- Apoyados en filas sobre placas planas.
En el caso de nuestro bloque pentagonal, dada su forma imprecisa, la primera opción es la más concebible.
Una vez hecho esto, la verdadera fase de sinterización tiene lugar con el movimiento de todas las cajas que contienen las piezas a través del horno. Las piezas pasan al interior del horno con una atmósfera controlada y se someten a diferentes temperaturas. Los tiempos también difieren en función de las características requeridas de la pieza.
Aunque haya una fase de enfriamiento, las piezas siguen estando muy calientes al salir del horno. Por tanto, permanecen intactas durante unas horas antes de pasar a la siguiente fase.
Si las tolerancias son muy ajustadas, se requiere una fase de calibrado:
- La pieza se vuelve a colocar en la prensa.
- La pieza se prensa y se ajusta mediante un troquel de calibración.
El calibrado también puede realizarse en prensas manuales, pero este paso puede resultar largo y costoso.
Con esto se termina el proceso de producción.
Etapa de acabado
Las piezas sinterizadas se prestan a varios procesos de acabado:
- Impregnación de aceite.
- Impregnación en resina.
- Galvanizado.
- Niquelado.
- Cromado.
- Oxidación por vapor.
En pocas palabras, el sinterizado en la metalurgia de polvos es un tratamiento térmico que, a través de cuatro pasos principales, da forma a los polvos metálicos con el objetivo de aumentar su resistencia intrínseca y su integridad estructural, creando y proporcionando las piezas de uso final.
Metalurgia de polvos vs. Moldeo por inyección de metales vs. Sinterización selectiva por láser
El sinterizado en metalurgia de polvos, como hemos descrito, es un proceso antiguo y muy diferente al sinterizado selectivo por láser.
Ventajas y desventajas del sinterizado selectivo por láser
Hay dos diferencias principales:
- Las impresoras 3D no necesitan un molde para dar forma al objeto.
- Las impresoras 3D no suelen ser adecuadas para la producción en masa de bajo coste.
La sinterización en metalurgia de polvos es un proceso más barato y preciso que la impresión 3D, aunque todos necesitaremos la tecnología de fabricación aditiva en el futuro.
A continuación, un resumen de las ventajas y desventajas del sinterizado selectivo por láser en comparación con la metalurgia de polvos.
Metalurgia de polvos
1. Es más adecuado para formas a gran escala y de complejidad media.
2. Las piezas de la metalurgia de polvos son ampliamente conocidas y baratas de producir.
3. No se necesita un operario cualificado.
4. El componente final no es uniforme debido a la fricción entre el polvo y el utillaje.
Sinterización selectiva por láser
1. La SLS puede hacer formas muy complejas y funcionales, lo que es difícil con el sinterizado.
2. La SLS es muy cara: una máquina puede costar más de 250.000 dólares y el material no es barato.
3. La máquina requiere un operador cualificado.
4. El componente final no es uniforme; es necesario un tratamiento posterior.
A continuación, un resumen de las ventajas y desventajas del sinterizado selectivo por láser en comparación con la metalurgia de polvos.
Metalurgia de polvos
1. Es más adecuado para formas a gran escala y de complejidad media.
2. Las piezas de la metalurgia de polvos son ampliamente conocidas y baratas de producir.
3. No se necesita un operario cualificado.
4. El componente final no es uniforme debido a la fricción entre el polvo y el utillaje.
Sinterización selectiva por láser
1. La SLS puede hacer formas muy complejas y funcionales, lo que es difícil con el sinterizado.
2. La SLS es muy cara: una máquina puede costar más de 250.000 dólares y el material no es barato.
3. La máquina requiere un operador cualificado.
4. El componente final no es uniforme; es necesario un tratamiento posterior.
Moldeo por inyección de metales frente a la metalurgia de polvos
A continuación, definiremos las principales diferencias entre el sinterizado en metalurgia de polvos y el moldeo por inyección de metales (también conocido como MIM).
A continuación, definiremos las principales diferencias entre el sinterizado en metalurgia de polvos y el moldeo por inyección de metales (también conocido como MIM).
- El proceso de sinterización final difiere.
- El proceso difiere drásticamente en comparación con la tecnología de sinterización, especialmente el moldeo.
El proceso se divide en tres pasos:
1. La aleación metálica inicial se "inyecta" en el molde y se mezcla con un aglutinante polimérico.
2. El aglutinante se elimina, dejando cierta porosidad.
3. La pieza tiende a "encogerse", cerrando la porosidad. Esta es la razón por la que los moldes se hacen más grandes.
A continuación, se resumen las ventajas y desventajas del moldeo por inyección de metales en comparación con la metalurgia de polvos.
Metalurgia de polvos
1. Es más adecuado para formas a gran escala y de complejidad media.
2. Las piezas de la metalurgia de polvos son ampliamente conocidas y baratas de producir.
3. Los componentes finales no son uniformes debido a la fricción entre el polvo y el utillaje.
Moldeo por inyección de metales
1. El MIM puede hacer formas complejas, lo que es difícil con el sinterizado.
2. Las piezas de moldeo por inyección de metal son pequeñas y el proceso es más caro.
3. El componente final es uniforme.
Ventajas y desventajas del sinterizado
Hemos comparado las dos principales alternativas al sinterizado en la metalurgia en polvos como proceso de fabricación. Ahora, destacaremos las ventajas y limitaciones de este proceso.
VENTAJAS:
1. Porosidad (lubricación perenne)
2. Repetibilidad de grandes series
3. Formas de complejidad media (pero sencillas en comparación con los procesos alternativos)
4. Tecnología ecológica
5. Poca especificación y baja energía porque no se requiere la fusión
6. Buen acabado superficial
7. Amortiguación de las vibraciones por la porosidad
DESVENTAJAS:
1. La porosidad hace que la pieza sinterizada sea menos resistente.
2. Pieza "incompleta" por falta de complejidad en el prensado de polvo.
Esperamos que este artículo te haya sido de utilidad. Trabajamos con nuestros clientes con un enfoque consultivo paso a paso; por eso pensamos que entender sus operaciones diarias, junto con los retos a los que se enfrentan, es lo que marca la diferencia.
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