La pulvimetalurgia comprende procesos importantes como la preparación del polvo, el prensado, la sinterización a alta temperatura y el posprocesamiento. Entre ellos, el prensado y la sinterización a alta temperatura son los procesos de densificación de la pulvimetalurgia.
1.1 Prensado
El prensado de polvo es el proceso mediante el cual se logra el cambio de un relleno suelto a un relleno compacto de partículas. La transmisión y distribución de la fuerza cambia, lo que da como resultado una distribución desigual de la densidad y la fuerza de cada parte de la hoja verde, lo que genera una serie de fenómenos complejos durante el proceso de prensado.
En la producción real, el proceso de prensado adecuado se suele seleccionar de acuerdo con las características de forma de la hoja verde para mejorar la densidad y uniformidad de la hoja verde. En los últimos años, académicos de varios países han estudiado una variedad de nuevas tecnologías de prensado, como el prensado omnidireccional rápido, la tecnología de prensado en caliente, el prensado de alta velocidad, etc.
(1) Tecnología de prensado en caliente
La tecnología de prensado en caliente utiliza un polvo mixto especial prensado en caliente. Con una presión de prensado que no supere los 690 MPa y una temperatura de sinterización de 1393 K, la densidad puede alcanzar 7,2~7,5 g/cm3 mediante un solo prensado y sinterización.
El prensado en caliente es un proceso sencillo para preparar piezas pulvimetalúrgicas de alta densidad y alta resistencia, y su coste es relativamente bajo. Solo se requiere una pequeña cantidad de ajustes en el equipo convencional para obtener piezas metalúrgicas con una densidad cercana a los 7,5 g/cm3. El proceso de prensado en caliente se considera un avance tecnológico importante en la preparación de piezas pulvimetalúrgicas desde la década de 1990 debido a su alta densidad, alto rendimiento y bajo coste.
(2) Tecnología de prensado de polvo de alta velocidad
La tecnología de prensado de polvo de alta velocidad es una tecnología de prensado de polvo que impulsa un martillo pesado por vía hidráulica o por gravedad para impactar el polvo a una velocidad de 2~30 m/s, lo que impulsa al polvo a completar el proceso de densificación en 20 ms.
La tecnología de prensado de polvo de alta velocidad tiene las características de alta densidad compacta verde, distribución de densidad compacta verde relativamente uniforme, alta eficiencia de formación, bajo costo de producción, alta precisión geométrica compacta verde, larga vida útil del molde y excelente desempeño integral compacto verde.
1.2 Sinterización a alta temperatura
La sinterización es el proceso más importante en el proceso de producción de pulvimetalurgia y siempre ha sido el foco de la investigación. La sinterización a alta temperatura es un proceso de tratamiento térmico que calienta el bloque de polvo a una temperatura inferior al punto de fusión del componente principal para que se adhiera en un material con mayor resistencia. Es un medio eficaz para aumentar la densidad del polvo compacto verde. A continuación, se presentan dos procesos de sinterización de polvo metálico de uso común.
(1) Proceso de prensado isostático en caliente
El proceso de prensado isostático en caliente (HIP) es un medio importante de densificación de productos de pulvimetalurgia de alto rendimiento. El flujo general del proceso de HIP es: llenar el paquete con polvo prensado, colocarlo en el horno de la prensa isostática en caliente y aplicar alta temperatura y alta presión al mismo tiempo. Después de la densificación por acoplamiento múltiple de las partículas de polvo, se obtiene un componente completamente denso.
Cuando se utiliza HIP para el moldeo o posprocesamiento de metales y materiales compuestos a base de metal, puede eliminar eficazmente los defectos en el interior de las piezas fundidas, reducir las grietas en el interior de las piezas y mejorar el rendimiento del producto. Los principales materiales metálicos implicados son aleaciones de alta temperatura a base de níquel, aleaciones de alta temperatura a base de cobalto, aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio, acero, aleaciones de cobre, etc.
(2) Sinterización por plasma de chispa
La tecnología de sinterización por plasma de chispa (SPS) es una tecnología de sinterización que utiliza los punzones superior e inferior de un molde de grafito y los electrodos energizados para aplicar simultáneamente una corriente de pulso de CC y una presión de prensado al cuerpo de polvo, y logra una rápida consolidación y formación del cuerpo de polvo a través de la activación del plasma y la deformación termoplástica. También se denomina sinterización activada por plasma y sinterización asistida por plasma.
Diagrama del principio de funcionamiento de la sinterización por plasma de chispa
Como se muestra en la figura anterior, la densificación SPS puede considerarse como la superposición de la descarga entre partículas de polvo, el calor Joule generado por la energización y la presión bajo la acción de la corriente de pulso. Además de los dos factores de sinterización de calentamiento y presurización, la descarga superficial entre partículas de polvo puede promover la alta temperatura local y la fusión local de la superficie; la pulverización catódica de plasma a alta temperatura y el choque de descarga pueden eliminar eficazmente las impurezas (como los óxidos de la superficie, etc.) y la adsorción de gas en la superficie de las partículas de polvo. Estos factores pueden promover el proceso de sinterización.
La sinterización por plasma de chispa tiene una alta eficiencia de calentamiento y una rápida tasa de densificación, lo que puede mejorar en gran medida la eficiencia de sinterización del polvo.
Factores que afectan la densificación de polvos metálicos
El proceso de densificación de polvos a alta temperatura y alta presión es muy complicado. Según experimentos de investigación de simulación de elementos finitos, los factores que afectan la densificación de polvos metálicos son principalmente el método de prensado, la resistencia a la fricción y la relación de aspecto de la hoja verde prensada.
(1) Método de prensado: Los métodos de prensado son principalmente el prensado unidireccional y el prensado bidireccional. Para reducir la caída de presión durante el proceso de prensado de polvos metálicos y obtener una lámina verde con una densidad más uniforme, el polvo se puede prensar mediante prensado bidireccional.
(2) Resistencia a la fricción: La resistencia a la fricción es un factor clave que afecta la densidad de la hoja verde y su uniformidad de distribución. El estudio de la influencia de diferentes condiciones de fricción en el proceso de densificación por compresión del polvo es propicio para mejorar el proceso de prensado de los productos de pulvimetalurgia. Cuando se mejoran las condiciones de fricción, el gradiente de tensión del compacto verde disminuye, la densidad es más uniforme y la fuerza de prensado también se reduce.
(3) Relación altura-diámetro del compacto verde: La relación altura-diámetro del compacto verde es un factor de forma que debe tenerse en cuenta en el proceso de moldeo por compresión de productos de pulvimetalurgia. En el mismo proceso de compresión y condiciones de fricción, los compactos verdes con una relación altura-diámetro pequeña pueden obtener una distribución de densidad más uniforme.
Por lo tanto, en la producción real de productos de pulvimetalurgia, se deben evitar las piezas demasiado delgadas. Se puede adoptar un proceso de prensado bidireccional y se pueden mejorar las condiciones de lubricación para mejorar la uniformidad de la densidad del producto.
La tecnología de pulvimetalurgia se ha utilizado ampliamente en la preparación de metales y aleaciones de alto rendimiento de diversas composiciones. La densidad y la distribución de los materiales de pulvimetalurgia son factores clave que afectan las propiedades mecánicas y la precisión dimensional de los productos de pulvimetalurgia. La densificación desigual dará lugar a una densificación desigual y a una deformación por contracción de varias partes del cuerpo del polvo, lo que dará lugar a propiedades mecánicas dispersas de varias partes del componente del polvo. Por lo tanto, el desarrollo de productos de pulvimetalurgia de alta densidad y alto rendimiento se ha convertido en la dirección de desarrollo y el foco de investigación de la tecnología de pulvimetalurgia.
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Tecnología de fabricación ecológica: pulvimetalurgia