Cómo se fabrican los polvos metálicos

Los polvos metálicos se producen utilizando cuatro categorías principales de procesos de fabricación: Atomización (física), reducción en estado sólido (química), electrólisis y trituración mecánica. Entre ellos, la atomización es el método más utilizado en las aplicaciones modernas de alto rendimiento, en el que una corriente de metal fundido se desintegra en finas gotas mediante chorros de agua o gas a alta presión. La reducción en estado sólido consiste en eliminar químicamente el oxígeno de los óxidos metálicos (normalmente hierro) para crear un polvo esponjoso. La electrólisis utiliza corriente eléctrica para depositar polvos metálicos de gran pureza a partir de una solución, a menudo utilizada para el cobre. Por último, la conminución mecánica emplea técnicas de fresado o molienda para triturar físicamente metales o aleaciones quebradizos y convertirlos en polvo. El proceso de fabricación específico seleccionado determina la forma de las partículas del polvo (esféricas o irregulares), su pureza y densidad, lo que a su vez determina su idoneidad para aplicaciones posteriores como la impresión 3D (AM), el moldeo por inyección de metales (MIM) o la prensado y sinterización.

Método de atomización

La atomización es actualmente la tecnología más popular, sobre todo en industrias extremadamente críticas con el rendimiento de los materiales, como la aeroespacial y la fabricación de dispositivos médicos. Se trata del proceso físico; la lógica central consiste en utilizar fluidos de alta energía para impactar en la corriente de metal fundido.

En el funcionamiento real, solemos subdividir el "medio de impacto" en dos categorías según la diferencia, y los escenarios de aplicación de ambas son muy diferentes:

• Atomización con gas: Es el proceso de bombardear la corriente de metal con un gas inerte (como nitrógeno o argón). El producto final es muy bonito: muy esférico y con una superficie lisa. Según mi experiencia, precisamente porque las partículas son redondas, su alta densidad de empaquetamiento y su excelente fluidez convierten a los polvos en aerosol en el estándar del sector para la fabricación aditiva (impresión 3D) y el moldeo por inyección de metales (MIM). Si desea imprimir una pieza de precisión, no tiene más remedio que utilizarlo.
• Atomización con agua: en este caso se utiliza un chorro de agua a alta presión para tratar el metal fundido. Como la velocidad de enfriamiento del agua es demasiado rápida, las partículas de metal se solidifican antes de poder redondearse, por lo que la forma es muy irregular y la superficie es rugosa. Aunque la fluidez no es tan buena como la del polvo aerosolizado, en mi opinión, esta "desventaja" es su ventaja: durante el proceso de prensado, la forma irregular puede provocar una oclusión mecánica entre las partículas. Por lo tanto, en aplicaciones de prensado y sinterización, si se valora la "resistencia en verde" de la pieza (es decir, la resistencia antes de la sinterización), el polvo atomizado en agua es la primera opción.

Método de reducción en estado sólido

La reducción en estado sólido es el método químico. Cuando se trata de esto, todo el mundo pensará básicamente en la producción de polvo de hierro. A diferencia del método de atomización para fundir metal, este juega con sólidos.

El proceso suele ser el siguiente:

• Preparación de la materia prima: El mineral se tritura y se mezcla con un agente reductor (normalmente coque o carbón vegetal como fuente de carbono).
• Reacción: La mezcla se calienta en un horno, y la temperatura se controla por debajo del punto de fusión del hierro. En este momento, el agente reductor comenzó a trabajar, el oxígeno en el óxido de hierro "agarrar" de distancia.
• El resultado: al final queda una estructura porosa y esponjosa de hierro metálico. Tras triturar y cribar estos "hierros esponja", se obtiene el producto acabado.

Desde el punto de vista de la ingeniería, esta estructura porosa tiene una gran ventaja: puede absorber aceite. Por lo tanto, este polvo es especialmente adecuado para la fabricación de cojinetes autolubricantes, o para aquellos que requieren una alta compresibilidad de las piezas estructurales.

Electrólisis

Cuando el proyecto en cuestión tiene requisitos estrictos de conductividad o pureza química, la electrólisis es la única salida. Este método es el más utilizado para producir cobre en polvo.

Su principio es similar al de la galvanoplastia, en pocas palabras:

• Ajuste: Introducir la placa metálica (ánodo) en la célula electrolítica que contiene la solución de sulfato metálico.
• Deposición: Tras la energización, el metal del ánodo se disuelve, atraviesa el electrolito y se deposita en el cátodo.
• Polvo: después de un período de tiempo para depositar abajo el raspado de metal, limpieza, secado, molienda.

El polvo electrolítico es muy característico al microscopio, mostrándose dendrítico (parecido al helecho) y extremadamente puro. Por eso son casi insustituibles en aplicaciones electrónicas como las tintas conductoras y las escobillas de motor.

Método de trituración mecánica

El método de aplastamiento mecánico es un método "heterogéneo", que utiliza exclusivamente la fuerza mecánica para aplastar el metal sólido. Este método suele reservarse para metales quebradizos (como el berilio, el antimonio o el bismuto) o aleaciones quebradizas. La razón es sencilla: si se aplasta un metal maleable, sólo se aplastará, no se romperá.

Los medios más comunes son:

• Molienda de bolas: Arrojar un bloque metálico a un tambor giratorio y triturar el material con bolas duras de cerámica o acero en su interior.
• Rectificado: Utilice muelas abrasivas de alta resistencia para esmerilar.

Para ser sinceros, este método tiene un quebradero de cabeza: es fácil introducir impurezas (al fin y al cabo, la bola de molienda se desgastará). Sin embargo, la tecnología actual también está avanzando, como la molienda de bolas de alta energía (aleación mecánica), que puede soldar e interrumpir diferentes materiales a nivel atómico para producir algunos polvos compuestos interesantes.

¿Cómo determina el proceso de fabricación la aplicación final?

Entender "cómo se fabrica el polvo metálico" no es un aval, sino porque el método de producción fija directamente las propiedades físicas del polvo, especialmente la forma, la pureza y la densidad de las partículas.

Polvo esférico (aerosolizado): Para impresión 3D y MIM. La bola garantiza que el polvo se extienda plano y fluya suavemente.

Polvo irregular/esponjoso (atomización con agua/reducción en estado sólido): se empieza a prensar para la sinterización. La superficie rugosa permite que las partículas se "muerdan" unas a otras, y las piezas prensadas no se deshacen fácilmente.

Polvo dendrítico/de gran pureza (electrólisis): en las aplicaciones electroquímicas de gama alta, la pureza y la conductividad no son negociables.

En el análisis final, ya sea la violencia física de la atomización y la trituración, la reacción química del método de reducción o la deposición electroquímica del método de electrólisis, el núcleo es bloquear el rendimiento a través del proceso para garantizar que las piezas metálicas finales no se salgan de la cadena.

Autor ： Alex Miller

Con más de 17 años de experiencia en ingeniería de materiales, estoy especializado en pulvimetalurgia. Comparto mis conocimientos profesionales sobre cómo los procesos de atomización y reducción dan forma a los polvos metálicos utilizados en la fabricación aditiva moderna y las aplicaciones industriales.