El documento describe el proceso de metalurgia de polvos, donde partes se fabrican comprimiendo polvo metálico en un molde y luego calentándolo. Esto permite fabricar piezas de materiales con puntos de fusión altos de manera económica. El documento también explica los pasos del proceso, incluyendo la preparación del polvo, compactación y sinterizado, así como consideraciones sobre las características del polvo.

1. Metalurgia de
polvos

2. Pulvimetalurgia
La Metalurgia de Polvos es un proceso de producción por medio
del cual partes o productos se fabrican comprimiendo polvo
metálico o algún material cerámico dentro de un molde o dado; una
vez comprimido el polvo, se somete a un proceso de calentamiento
(sinterizado) lo que le proporciona a la pieza propiedades de
resistencia y dureza.
Este proceso de conformado es el único medio de fabricación que
se puede emplear para la obtención de piezas a partir de materiales
con puntos de fusión elevados. Por ejemplo, los materiales
refractarios poseen puntos de fusión elevados que los hacen
difíciles de trabajar con el equipo que podría considerarse como
ordinario para el manejo de la mayoría de los metales; otros
materiales tienden a reaccionar fuertemente con el medio ambiente
al fundirse, motivo por el cual no es fácil procesarlos por ese medio.

3. Temperaturas de Fusión de Materiales Refractarios
Material TF (ºC) Material TF (ºC)
Metales Nitruros
Tugsteno 3400 TiN 2950
Tantalio 2996 BN 2732
Molibdeno 2620 AlN 2232
Boruros Si3N4 1870
TaB 3100 Óxidos
ZrB 3038 TiO2 3300
TiB 2938 MgO 2827
Carburos UO2 2816
TaC 3877 ZrO2 2776
TiC 3193 BeO 2550
Α – SiC 2700 α – Al2O3 2000
WC 2600

4. Otra ventaja que se tiene con este proceso de conformado es que
se puede obtener en forma económica la combinación de metales y
no metales para la fabricación de piezas, como en el caso de la
Industria Eléctrica en la cual las escobillas de motores y los
contactos deben tener conductividad apropiada, pero a la vez ser
resistentes al desgaste y al arco eléctrico que se forma al hacer el
contacto. Las escobillas se fabrican de polvo de cobre, grafito y en
algunas ocasiones de estaño y plomo. Por otra parte, los contactos
requieren combinaciones de materiales como tungsteno con cobre
y plata.
Un punto importante a considerar en la selección de este proceso
de conformado es el poco desperdicio de material que involucran
las operaciones. Aproximadamente un 97 % del polvo que se
emplea inicialmente se convierte en producto. Otro aspecto
importante es que los métodos de producción por metalurgia de
polvos se pueden automatizar, lo que en un momento permite bajar
costos y lograr una alta calidad en el producto.

5. Debido a que el manejo y compactación de los polvos involucra
cierta complejidad, existen algunas limitantes y desventajas del
proceso, entre las que podemos mencionar:
1.- Equipo, herramental y materia prima (polvo metálico)
costoso.
2.- El manejo y almacenamiento de los polvos requiere de
especial cuidado, a fin de evitar la degradación del material con el
tiempo y en algunos casos riesgo de incendio en el metal en polvo.
3.- Limitaciones en la forma de las piezas, ya que se debe
de considerar que los polvos difícilmente fluyen en sentido
horizontal (lateralmente) dentro de los moldes o dados cuando se
efectúa la compresión de ellos.
4.- La variación en la densidad del material a través de la
pieza, especialmente si se tiene una geometría compleja.

6. Descripción del procedimiento
En términos generales, se puede considerar que la metalurgia de
polvos consiste de tres pasos:
-Preparación, combinación y mezcla del polvo o polvos.
-Compactación del polvo dentro de un dado o molde a una
densidad establecida.
- Sinterizado (calentamiento) en un horno con atmósfera
controlada.

7. Preparación del polvo
Los polvos que se emplean pueden ser de metales, no
metales, aleaciones, materiales cerámicos
(óxidos, nitruros, carburos, etc.). Los materiales más comúnmente
empleados son el hierro, cobre, aluminio
estaño, níquel, titanio, cromo, aceros
inoxidables, grafito, silicio, óxidos, carburos metálicos, metales
refractarios como tungsteno, tantalio y molibdeno. También se
consideran combinaciones de metales y cerámicos llamados cermets.
La manufactura del polvo es muy importante y se debe de trabajar bajo
ciertas especificaciones, las cuales determinan las características
últimas y las propiedades físicas y mecánicas de las partes
compactadas. Estas especificaciones incluyen requerimientos sobre
tamaño y forma de la partícula, flujo del
polvo, compresibilidad, pureza, densidad aparente, entre otras.

8. El tamaño de las partículas tiene que ver con su forma, pudiendo
considerarse una o más dimensiones. Por ejemplo, si la partícula
tiene forma esférica se requiere una sola dimensión, sin embargo,
para otras formas se pueden requerir dos o más dimensiones. Una
forma simple que se emplea en la medición de la forma de la
partícula es su relación entre la dimensión máxima y la mínima. Para
una partícula esférica es de 1.0 pero para un grano acicular puede
ser 2 o 4.

9. El método más común para obtener el tamaño de la partícula es por
medio de cribas de diferente tamaño de malla, empleándose el
término número de malla para indicar el número de aberturas que
posee la malla por pulgada lineal. Así, un número alto de malla indica
un tamaño menor de partícula.

10. Otras características de los polvos que deben tomarse en
cuenta son:
- Fricción entre partículas. La fricción es un fenómeno que se
presenta siempre que existe contacto entre dos superficies y es
debida principalmente a la aspereza que muestra cada una de las
superficies.
Se define la fricción como la resistencia al movimiento relativo entre
dos superficies en contacto (dos cuerpos) sometidas a una carga
normal que las mantiene unidas.
Las partículas de metal o de materiales cerámicos por el proceso de
fabricación a que se someten, presentan superficies con gran
aspereza, motivo por el cual el fenómeno de fricción está presente
en el momento de su compactación.

11. - Características de flujo. El polvo debe de fluir dentro de la
matriz o molde con facilidad a fin de garantizar el llenado completo. La
garantía de una buena pieza se basa en que el polvo fluya en forma
adecuada y llene totalmente el molde.
En algunos casos es necesario y conveniente mezclar el polvo metálico con
un polímero o un aglutinante a base de cera (moldeo por inyección), el cual
permite que el polvo metálico fluya fácilmente asegurando el llenado total de
la cavidad del molde. A continuación el compacto se calienta en un horno a
baja temperatura a fin de quemar el polímero o bien el aglutinante se puede
eliminar por medio de un solvente.
Los metales adecuados para el moldeo por inyección son los aceros: al
carbono, inoxidables y para herramienta, así como el cobre, bronce y titanio.
Las principales ventajas del moldeo por inyección de polvos metálicos son:
- Se pueden moldear formas complejas, con espesores de pared de hasta 5
mm.
- Las propiedades mecánicas son casi iguales a las de los productos
forjados.
- Las tolerancias dimensionales son buenas.
-Se pueden alcanzar grandes tasas de producción usando matrices de
huecos múltiples.

12. - Porosidad. La porosidad es inherente a los productos
fabricados por metalurgia de polvos ya que sin importar la forma de
las partículas, es imposible lograr que éstas embonen una con otra
de manera que se eliminen los huecos entre ellas. El factor
distribución de tamaño también es importante ya que si todas las
partículas son del mismo tamaño siempre quedarán huecos entre
ellas. Teóricamente cuando menos el 24 % del volumen de la pieza
es ocupado por ella.
Es importante tener presente que no en todos los casos es
perjudicial la porosidad en una pieza y que por lo tanto no sólo es
importante mantenerla, sino propiciarla. Éste es el caso de aquellos
productos porosos como son los filtros y cojinetes impregnados de
aceite cuyo uso es común a nivel industrial y de laboratorio.
- Densidad. El polvo comprimido se conoce como comprimido
crudo o en verde y su densidad depende de la presión aplicada y
tiende a la del metal macizo cuando la presión es elevada.

13. Mientras mayor sea la densidad de la pieza, mayor serán también la
resistencia contra las fuerzas externas y el módulo de elasticidad, ya
que al aumentar ésta será mayor la cantidad de material en el mismo
volumen. Es importante tomar en consideración que la fricción entre
las partículas metálicas que conforman el polvo y la fricción entre los
punzones y las paredes del dado, tienen como consecuencia que la
densidad en el interior de una pieza pueda variar apreciablemente.
- Composición Química. El factor pureza es de gran
importancia, debido a que el polvo puede contaminarse y/o reaccionar
con el medio ambiente, oxidándose, lo que en muchos casos
impedirá que se lleve a cabo una buena unión por difusión entre
partículas en la etapa de sinterizado, lo que a su vez trae como
consecuencia una pieza de mala calidad que no cumplirá con los
requerimientos mecánicos para la que fue diseñada y fabricada.
En el caso de piezas de aceros, aceros inoxidables, latón y bronce,
los polvos en si son aleaciones, son polvos prealeados, y no polvos
puros como sucede con otros materiales.

14. - Características de compactación. La compactación de los
polvos es una etapa de gran importancia, dado que es aquí donde se
conforma la pieza a su forma y dimensiones finales. La forma,
tamaño y condición de las partículas son características que deben
de cuidarse ya que pueden influir desfavorablemente en el proceso
de compactación de la pieza. Las partículas de polvo que hayan sido
endurecidas por deformación en la etapa de mezclado suelen
presentar mayor dificultad para compactarse, de la misma manera si
todas las partículas tienen igual tamaño y forma será muy difícil
compactarlas y alcanzar una gran densidad debido a que habrá
mayor número de huecos. En este sentido, es mucho mejor poder
mezclar partículas de formas y tamaños diferentes ya que de esta
manera se pueden llenar mejor los huecos entre partículas de polvo
y lograr una mejor compactación.

15. Formación de películas superficiales. Es común que los
polvos metálicos puedan formar una película de oxido sobre su
superficie, lo cual no debe permitirse ya que eso dificultará la unión
entre partículas en el paso de Sinterizado. Es por ello que el
sinterizado se lleva a cabo en hornos con atmósfera controlada para
evitar la oxidación del metal.

16. Obtención de los polvos metálicos
Las características de un material en polvo están influenciadas por la forma
en la que se obtiene. Existen varios métodos para la obtención de polvos.
Es importante tener presente que antes de poder obtener el material en
forma de polvo debe de obtenerse en su forma pura.
Método de reducción. Este es un proceso de tipo químico y consiste en
hacer reaccionar mineral refinado a fin de obtenerlo como un producto de
buena pureza. Se trabaja con este método la reducción de óxidos
metálicos, haciéndolos reaccionar a fin de eliminar el oxígeno, para lo cual
se requiere de un agente reductor como puede ser el hidrógeno o el
monóxido de carbono.
Los óxidos metálicos se reducen quedando partículas de polvo metálico de
muy buena pureza. Las partículas de polvo metálico así obtenidas suelen
ser esponjosas y porosas, con formas esféricas o angulares y de tamaño
uniforme. Polvo de hierro, níquel, cobalto, cobre, molibdeno y tungsteno.

17. Método por electrólisis. Consiste en dejar crecer un depósito metálico
sobre una placa metálica (cátodo), suspendida en un tanque conteniendo
un electrolito (soluciones acuosas o sales fundidas) y la fuente de metal
empleada para hacer el depósito que forma el ánodo. Después de un
periodo de exposición a una cierta corriente, durante un cierto tiempo, se
retira la placa del electrolito, se seca y se separa el metal depositado, el
cual se muele posteriormente para producir partículas del tamaño
deseado. Este método se emplea para producir polvo de
cobre, berilio, plata, tantalio, hierro y titanio de lo más puro que puede
conseguirse.
Atomizado. Consiste en enviar un chorro de aire, gas inerte o agua sobre
un flujo de metal fundido, formándose de esta manera partículas de distinto
tamaño al solidificar el metal, formándose así el polvo metálico. Se emplea
en la producción de polvos de cinc, estaño, plomo, aluminio, etc.
Perdigonado. El metal fundido se vierte a través de una pequeña
abertura. Las gotas se transforman en pequeñas partículas al pasar a
través de aire o cuando se agitan y enfrían en agua. El tamaño de partícula
que se obtiene no es muy pequeño ya que la tensión superficial del
material al formarse la gota, impide que pueda salir a través de aberturas
muy pequeñas. Este proceso se puede emplear para la producción de
polvo de la mayoría de los metales.

18. En la figura, se ilustran distintos métodos de producción de polvos metálicos
por atomizado. Es posible controlar el tamaño de las partículas mediante la
velocidad de la corriente del fluido.

19. Pulverización o trituración. Este proceso consiste en el
desmenuzamiento o pulverización mecánica del metal e implica la
fragmentación o molienda de éste, la cual se lleva a cabo por trituración
por rodillos, en molinos de bolas, molino de martillos, pudiéndose producir
polvos casi con cualquier grado de finura, o esmerilado de metales frágiles
o menos dúctiles. Un molino de bolas es una máquina con un cilindro
hueco que puede girar, lleno en parte con bolas de acero o fundición
blanca, las cuales se encargan de triturar o pulverizar el material que se
agregan dentro de él.
La acción de pulverizado afecta de manera distinta a los materiales, si el
material es frágil, las partículas de polvo que se producen tienen formas
angulares; si los materiales son dúctiles se producen partículas con forma
de hojuelas, lo cual no es recomendable en la metalurgia de polvos. Este
proceso se utiliza para pulverizar carburo de tungsteno.
Aleación metálica. En este proceso se mezclan polvos de dos o más
metales puros en un molino de bolas, a fin de que por la acción mecánica
de las bolas sobre las partículas de polvo metálicas, éstas se rompan y se
unan entre si por difusión, formándose los polvos de aleación.

20. Combinación y mezcla de los polvos
La combinación se refiere a la mezcla de polvos de diferente
composición química, teniéndose la ventaja de poder combinar varias
aleaciones metálicas que sería imposible o muy difícil producir por otro
medio. El mezclado se refiere a la mezcla de polvos de la misma
composición química, pero que pueden tener diferente tamaño de
partícula.
Los lubricantes promueven la fluidez del polvo, lo que se considera
como una de las características más importantes en la compresión del
polvo, ya que reducen la fricción entre las partículas y con las paredes
del molde, ayudando así a sacar la pieza compactada del molde. Los
lubricantes principalmente empleados son el ácido esteárico o
estearato de zinc, en la proporción de 0.25 a 5% en peso.

21. El mezclado de los polvos, considerado como el segundo paso, tiene como
objetivos:
- Obtener uniformidad en la mezcla, ya que los polvos por lo general tienen
distintos tamaños y formas y sólo mezclándolos se logra una distribución
uniforme.
- Cuando el producto a obtener incluye distintos metales y otros materiales
(como las pastillas de carburo) la mezcla es necesaria para poder obtener
propiedades homogéneas en el producto.
- Mezclar lubricantes con los polvos, con objeto de mejorar su fluidez.
La mezcla de polvos se logra mecánicamente en un tambor tipo barril, como
el que se muestra en la figura, y se puede hacer tanto en húmedo como en
seco.

22. Compactación
Se inicia con el llenado de la cavidad
del molde, matriz o dado, con la
cantidad de polvo necesaria para la
pieza que se va a fabricar, fig. (1) y
(2). A continuación los dos punzones
presionan en forma simultánea por
arriba y por debajo del dado para
comprimir el polvo y llevarlo a llenar
toda la cavidad del dado, las
partículas de polvo estrechan su
contacto unas con otras aumentando
la densidad de la pieza. Es necesario
aplicar altas presiones a los polvos
para que asuman la forma deseada;
al polvo prensado se le llama comprimido crudo o en verde ya que la pieza
no está procesada totalmente y la densidad adquirida por la pieza se
conoce como densidad en verde.

23. Al aplicar la presión por medio de los punzones se inicia la
compactación del polvo, lo que da como resultado un mejor arreglo de
las partículas, eliminándose grandes porosidades o huecos entre ellas.
Por efecto del aumento en la presión, las partículas tienden a
deformarse plásticamente, con lo cual aumenta el área de contacto y
disminuye de esta forma el tamaño del compacto, lo que internamente
se traduce en una disminución del volumen de la porosidad, hasta que
finalmente se llega a las dimensiones finales de la pieza.
Mientras mayor sea la densidad, mayores serán la resistencia y el
módulo de elasticidad de la pieza y aumentará su resistencia contra
fuerzas externas.

24. El equipo con el cual se aplica la presión es una prensa. Este tipo de
prensas pueden operar dentro de un rango de 5 a 50 toneladas, siendo
la capacidad máxima de 300 tons. Algunas prensas se operan
mecánicamente, otras hidráulicamente y otras más neumáticamente.
En la tabla se muestran las presiones de compactación para diversos
polvos metálicos y otros materiales.
Presión Presión
Metal Otros materiales
(Mpa) (Mpa)
Aluminio 70 – 275 Óxido de Aluminio 110 – 140
Latón 400 – 700 Carbono 140 – 165
Bronce 200 – 275 Carburos Cementados 140 – 400
Hierro 350 – 800 Ferritas 110 - 165
Tántalo 70 – 140
Tungsteno 70 – 140

25. Otros Procesos de Compactación
Moldeo de metales por inyección (MIM). Este proceso llamado
también moldeo por inyección involucra trabajar con polvos metálicos muy
finos (< 10 m), consiste en mezclar los polvos metálicos con un polímero
o con un aglutinante a base de cera y esta mezcla se somete a un proceso
semejante al de la fundición en dado, obteniéndose los compactos verdes
que serán colocados en hornos a baja temperatura a fin de quemar el
polímero, o en el caso de la cera, ésta se elimina por medio de solventes.
Existen ciertas limitantes como son el costo de los polvos metálicos y el
tamaño de las piezas que se pueden fabricar el cual está limitado a unos
250 g (0.55 lb).
Los metales que principalmente pueden emplearse para este proceso son:
Aceros: al carbono, inoxidables y para herramientas. Cobre. Bronce, y
Titanio.

26. Laminado. El laminado de polvos metálicos, también conocido como
compactación por rodillos, es un proceso en el cual el polvo se va
suministrando directamente a los rodillos de una laminadora, por medio de
una tolva, compactándose de este modo y produciendo una banda
continua de metal comprimido. Mediante este proceso se puede fabricar
lámina para hacer monedas o para componentes eléctricos y electrónicos.
Es un proceso que se puede hacer a temperatura ambiente o elevada.

27. Sinterizado
Es el proceso mediante el cual los compactados crudos o en verde se
calientan en un horno de atmosfera controlada a una temperatura por
debajo del punto de fusión del constituyente principal, pero lo
suficientemente elevada para permitir que se unan las partículas
individuales. El comprimido crudo o en verde es frágil y su resistencia
es baja aumentando ésta después del sinterizado; esto va a depender
de variables como la difusión, flujo plástico, evaporación de materiales
volátiles del comprimido, recristalización, crecimiento de granos y
contracción de los poros.
La temperatura de sinterizado, Ts (oK), es de 2/3 a 4/5 la temperatura de
fusión del metal o la aleación en oK. Los tiempos de sinterización van
de un mínimo de unos 10 minutos para las aleaciones de hierro y
cobre, hasta 8 horas para tugsteno y tantalio.

28. El propósito fundamental de esta etapa es el de establecer, por
contacto íntimo entre las partículas de polvo, una unión por difusión
de los átomos en los puntos o áreas de contacto, lo que elimina los
límites de grano entre una partícula y otra, lográndose una unión rígida
de gran fortaleza entre las partículas, sin necesidad de fundir el
material, por lo tanto, en términos generales se puede considerar que la
mayoría de los metales permanecen sólidos durante el proceso de
sinterizado. Sin embargo, en el caso de los carburos cementados
(carburos más cobalto como un aglutinante), el sinterizado aumenta la
densidad de la pieza debido a que en este caso la temperatura de
sinterizado es tal que el cobalto se funde, quedando las partículas de
carburo aglutinadas en el cobalto fundido.

29. Los hornos para sinterizado pueden ser de distintos tipos, los más
empleados para altos volúmenes de producción son los hornos continuos
de banda sin fin con atmósfera controlada. Estos hornos constan de
tres cámaras, la primera en la que se efectúa un precalentamiento de la
pieza a fin de quemar los lubricantes y el aglutinante que se mezclaron con
el polvo metálico; en la segunda se efectúa el proceso de sinterizado,
siendo una zona de alta temperatura la cual posee una atmósfera
controlada a fin de evitar que el polvo se pueda oxidar; y en la tercera, se
efectúa el enfriamiento de la pieza todavía bajo una atmósfera controlada
hasta que la pieza llega a una temperatura bajo la que ya no hay peligro de
oxidación.

30. Las atmósferas más comunes en los hornos para sinterizado son:
- Gas inerte como el argón.
- Nitrógeno.
- Amoniaco disociado.
- Hidrógeno, y
-Gas natural.
Para algunos metales como el tungsteno y los aceros inoxidables, se
acostumbra emplear una Atmósfera al vacío.
Cabe mencionar que cuando el polvo metálico está formado por dos tipos de
metales o de aleaciones, alguno de ellos tendrá una temperatura de fusión
menor que el otro y se podrá fundir y por la tensión superficial podrá rodear a
la otra, formándose una unión más resistente y densa. Este proceso se
conoce como Sinterizado de fase líquida.

31. Condiciones de Sinterizado de diversos metales
TEMPERATURA DE SINTERIZADO SINTERIZADO
M E T A L
C F (MIN)
BRONCE 760-900 1400-1650 45
LATÓN 760-900 1400-1650 45
COBRE 760-900 1400-1650 45
HIERRO 1000-1150 1830-2100 45
HIERRO-GRAFITO 1000-1150 1830-1150 45
NÍQUEL 1000-1150 1830-1150 45
ACEROS INOXIDABLES. 1100-1290 2010-2350 60
FERRITAS (PARA IMANES) 1200-1500 2190-2730 600
CARBURO DE TUNGSTENO 1430-1500 2610-2730 30
MOLIBDENO 2050 3720 120
TUNGSTENO. 2350 4200 480
TANTALIO 2400 4350 480

32. Operaciones de Acabado
Las partes fabricadas por medio de la metalurgia de polvos se pueden
someter a operaciones de acabado como son:
Tratamiento Térmico.- para mejorar la dureza y la resistencia.
Maquinado.- para producir diversas características geométricas por fresado,
taladrado y machuelado (producción de agujeros roscados).
Rectificado.- para aumentar la exactitud dimensional y el acabado superficial.
Deposición.- para mejorar la apariencia e impartir resistencia al desgaste y a
la corrosión.