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21 de agosto de 2023

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En la edición de primavera de 2023 de PIM International (págs. 52-54), informamos sobre una encuesta exhaustiva que describe el progreso significativo que se ha logrado en la investigación del potencial del moldeo por inyección de polvo a baja presión (LPIM) durante las últimas dos décadas. Se demostró que, además de ser un proceso rentable para la creación de prototipos y la producción en pequeñas series de componentes complejos con formas casi netas, LPIM también se ha utilizado con éxito para la producción en volumen bajo y alto de formas altamente complejas, particularmente en el campo de la cerámica. Algunas de las ventajas clave del LPIM en comparación con el PIM de alta presión son que las máquinas LPIM son generalmente más pequeñas y utilizan una mecánica hidráulica simple, lo que resulta en menores costos de equipo y menor consumo de energía. LPIM generalmente utiliza una materia prima de baja viscosidad (<20 Pa.s), que se inyecta usando una presión de 50 a 200 veces menor que la utilizada para PIM convencional, lo que resulta en el beneficio adicional de un menor desgaste del molde. Sin embargo, a pesar de las ventajas de costes de LPIM, la comprensión actual de la producción de componentes metálicos mediante LPIM sigue limitada a unas pocas pruebas de concepto.

En esta encuesta LPIM se incluyó una referencia a la investigación realizada en la Ecole de Technologie Superieure, en Montreal, Canadá, sobre el uso de polvos de hierro de forma irregular producidos por atomización de agua como materia prima LPIM. Los resultados más recientes de este trabajo de investigación se han publicado en el artículo: 'Influencia del tamaño del polvo en la moldeabilidad y propiedades sinterizadas de la materia prima a base de hierro irregular utilizada en el moldeo por inyección de polvo a baja presión', de AA Tafti, V Demers, y V Brailovski en la Ecole de Technologie Superieure de Montreal, y G Vachon de Rio Tinto Metal Powders, en Sorel-Tracy, Canadá, el productor del polvo de hierro atomizado con agua. El artículo fue publicado en Powder Technology vol. 42, en línea en marzo de 2023.

Los autores afirmaron que investigaciones anteriores sobre la moldeabilidad de la materia prima utilizando polvo de hierro atomizado con agua de bajo costo con forma de partículas irregulares demostraron que LPIM era adecuado para fabricar formas verdes complejas. También se estudió la influencia de las características del polvo y las condiciones de procesamiento LPIM en la densidad sinterizada utilizando materias primas irregulares a base de hierro. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo actual fue estudiar el efecto de diferentes tamaños de partículas en la moldeabilidad de la materia prima LPIM y también en las microestructuras finales y el rendimiento mecánico de piezas producidas utilizando polvos irregulares a base de hierro.

Los autores informaron que los polvos de hierro se produjeron mediante un flujo de trabajo de tres pasos, que incluía atomización de agua, molienda por desgaste de alta energía y tamizado. El proceso de molienda por atrición, utilizado para reducir el tamaño de las partículas, parecía ser responsable de la distribución bimodal de los tres lotes de polvo producidos: −45, −25 y −10 µm (correspondientes a un tamaño de malla de 325, 600 y 1250 µm). , respectivamente). En cuanto al tamaño del tamiz, se dice que el polvo -45 μm representa un lote de polvo que consta de partículas que han pasado a través de una abertura de tamiz de 45 μm. La Tabla 1 muestra las propiedades físicas de los tres tipos de polvos de hierro producidos.

Los polvos de hierro se mezclaron con un aglutinante desarrollado específicamente para esta investigación, que comprendía (% en volumen): 1% de SA, 2% de EVA, 2% de CW y 36-38% de PW, siendo el valor de PW en función de las cargas sólidas utilizadas para cada materia prima. El comportamiento de moldeo de las materias primas de polvo de hierro se evaluó en dos etapas. La primera etapa evaluó el impacto del tamaño de partícula en la viscosidad de la materia prima y se estableció una carga sólida común para todos los lotes de polvo en 57% en volumen. Este valor corresponde a la carga sólida máxima trabajable del polvo más fino utilizado en este estudio (es decir, −10 μm). La segunda etapa analizó el desempeño general de cada lote de polvo durante el proceso LPIM (es decir, principalmente la moldeabilidad y sinterabilidad); la carga máxima de sólidos de cada lote de polvo se utilizó en la formulación de materia prima. Esta carga de polvo en la materia prima varió entre 57 y 59% en volumen, observándose una mayor carga de sólidos a medida que los polvos se volvieron más gruesos. Los autores encontraron, a partir de su análisis de moldeabilidad, que la materia prima de -10 μm mostró el mejor potencial de moldeo gracias a su mayor homogeneidad de materia prima y una carga sólida ligeramente menor de 57% en volumen. La figura 1 muestra la comparación entre el índice de moldeabilidad logrado y la distancia de flujo en espiral lograda en LPIM.

La figura 2 muestra la prensa LPIM a escala de laboratorio utilizada para validar el índice de moldeabilidad y fabricar piezas rectangulares para pruebas de tracción y mediciones de densidad. Luego, las piezas moldeadas por inyección se desaglutinaron y sinterizaron utilizando los ciclos térmicos que se muestran en la Fig. 3. El ciclo térmico para la eliminación del aglutinante utilizando un enfoque de desunión térmica con mecha, en el que las piezas inyectadas se colocaron en una celda de desunión y se calentaron bajo un flujo de gas argón puro. (25 L/min), se muestra en la Fig. 3a. Durante la primera etapa de desaglutinación a 250 ° C, se usó alúmina como medio absorbente para extraer el aglutinante derretido de la pieza usando fuerzas capilares (segmento (i) en la Fig. 3a). Para activar la pirólisis térmica, la temperatura del horno se aumentó a la temperatura previa a la sinterización de 600 °C para la cual la alúmina actúa como soporte para las piezas moldeadas durante las etapas finales de quemado del aglutinante y presinterización, como se muestra en el segmento (ii) en Figura 3a.

Luego, las piezas desaglutinadas se colocaron en una placa de circonio antes de sinterizarlas bajo un flujo de gas hidrógeno puro a 1280 °C durante tres tiempos de sinterización de 30, 90 y 270 min (segmento (iii) en la Fig. 3b) y luego se enfriaron. La Fig. 4 muestra la progresión de la densidad durante los tres períodos de tiempo y los resultados confirman que, para polvos de hierro de formas irregulares, el tamaño de las partículas sigue siendo una de las principales fuerzas impulsoras de la sinterización, como se puede ver para la muestra de -10 µm, que alcanzó 7,1 g/cm3 (~90%) después de 270 minutos, el nivel de densidad más alto alcanzado en este trabajo de investigación. Los autores afirmaron que las piezas producidas mediante MIM convencional suelen alcanzar una densidad de sinterización del 95 al 99 % de la teórica y el nivel más bajo en LPIM de polvos de hierro irregulares podría atribuirse a las condiciones de sinterización subóptimas utilizadas. Después de la sinterización, se midió una contracción lineal de aproximadamente 15, 17 y 20% respectivamente para los polvos de -45, -25 y -10 μm.

Los autores investigaron el tipo de porosidad y la distribución del tamaño de los poros en las microestructuras de las piezas LPIM de hierro sinterizado, además de determinar la evolución de los contenidos de carbono y oxígeno durante la desaglomeración y la sinterización (Fig. 5 ab). Los resultados muestran que, a la alta temperatura final de desaglutinación de 600 °C, el contenido de oxígeno se redujo a 0,07-0,47% en peso, mientras que el carbono permaneció relativamente constante entre 2,7 y 2,9% en peso durante la desaglutinación. Durante la sinterización (Fig. 5 cd), se encontró que el uso de una atmósfera de hidrógeno durante solo 30 minutos redujo el contenido de oxígeno de 2 a 16 veces y el contenido de carbono de 10 a 80 veces, dependiendo del grado del polvo. Se encontró que un aumento en el tiempo de sinterización de 30 a 90 minutos promueve aún más la reducción de oxígeno, disminuyendo el contenido de oxígeno de 300 a 200 ppm. Un aumento en el tiempo de sinterización hasta 270 min parece tener un impacto positivo en los niveles de oxígeno en los polvos de hierro de grado −25 μm y −10 μm, con una disminución a 170 y 100 ppm, respectivamente. Los autores concluyeron que los contenidos de carbono y oxígeno de todas las muestras sinterizadas estaban dentro de rangos aceptables para el hierro sinterizado puro.

Finalmente, los autores observaron las microestructuras y propiedades mecánicas de los tres grados de polvo de hierro irregular sinterizado durante los tres períodos de tiempo diferentes. Las observaciones SEM confirmaron que las microestructuras obtenidas con el polvo de -10 μm exhibieron una red de poros más esférica y más fina que las obtenidas con los otros dos grados de polvo estudiados. La estructura de grano fino y la presencia de poros en los límites de los granos en las muestras de -10 μm también sugiere que la temperatura de sinterización podría aumentarse para completar la formación de la microestructura y aumentar la densidad y las propiedades mecánicas. Afirmaron que todavía era necesario determinar las condiciones óptimas de sinterización.

En términos de propiedades mecánicas logradas, las muestras de -45 μm sinterizadas a 1280°C durante 270 min exhibieron una densidad final de 6,2 g/cm3, una UTS de 161 ± 7 MPa, una YS de 48 ± 3 MPa y una EL%. del 12%, mientras que las muestras de -10 μm, sinterizadas en las mismas condiciones, dieron una densidad de 7,1 g/cm3, un UTS de 225 ± 1 MPa, YS de 73 ± 3 MPa y un EL% de 24%. Se descubrió que estas propiedades mecánicas eran similares a las obtenidas con las piezas MIM producidas convencionalmente a partir de polvos finos de hierro esférico.

www.sciencedirect.com/journal/powder-technology

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