Selección de materiales metálicos en polvo, rendimiento y análisis de costes

Los materiales pulvimetalúrgicos son piezas de precisión que se fabrican compactando y sinterizando polvos metálicos para darles una forma próxima al producto final. Según mi experiencia, el aspecto más potente de estos materiales es su índice de utilización del material, que puede superar fácilmente los 97%. Además, la porosidad puede controlarse para lograr la autolubricación, y muchas formas geométricas complejas pueden formarse directamente mediante moldes.

Actualmente, los materiales pulvimetalúrgicos con los que trabajamos principalmente se dividen a grandes rasgos en varias categorías:

• Aleaciones ferrosas (hierro y acero): Dar prioridad a la resistencia estructural.
• Aleaciones no ferrosas (cobre y aluminio): Valor de conductividad y ligereza.
• Acero inoxidable: Se centra en la resistencia a la corrosión.

Por lo general, seguimos las normas del sector, como la norma MPIF 35, para el uso y el rendimiento de estos materiales.

1. Clasificación de los materiales metálicos en polvo

Solemos clasificar los materiales pulvimetalúrgicos en función de los elementos básicos y los componentes de aleación, principalmente en materiales de metales ferrosos, acero inoxidable y materiales de metales no ferrosos. A continuación se indican algunos de los materiales más utilizados en mi trabajo habitual:

Materiales ferrosos (hierro y acero al carbono)

No es exagerado decir que esta categoría es la principal fuerza de la industria, ya que representa aproximadamente entre 70% y 80% de las piezas estructurales pulvimetalúrgicas.

• Hierro puro: Se utiliza principalmente en aplicaciones magnéticas, como las piezas polares magnéticas blandas, debido a su permeabilidad especialmente alta.
• Hierro-cobre-carbono (serie FC): Es la opción más común en piezas estructurales de automoción (como engranajes, levas). El cobre refuerza considerablemente el material, mientras que la presencia de carbono permite tratarlo térmicamente (endurecerlo).
• Aceros Prealeados: Como el acero FL-4405 (acero al molibdeno), este material tiene una excelente templabilidad y resistencia al impacto, por lo que es ideal para engranajes de transmisión de alta carga.
  • Escenarios de aplicación: Si tiene previsto sustituir una pieza mecanizada de acero 1045, una pieza pulvimetalúrgica de hierro-cobre-carbono tratada térmicamente puede ser a menudo un sustituto directo.

Series de acero inoxidable (series 300 y 400)

• Serie 300 (Austenítica): En concreto, el SS-316 ofrece la mejor resistencia a la corrosión pero una permeabilidad relativamente baja. Es la primera opción para equipos médicos o de procesamiento de alimentos, que requieren una resistencia a la corrosión especialmente alta.
• Serie 400 (martensítica): Puede tratarse térmicamente para obtener una gran dureza y resistencia al desgaste, pero su resistencia a la corrosión no es tan buena como la de la serie 300.

Materiales no férreos (cobre y aluminio)

• Bronce (Cobre-Estaño): Es el "veterano" de los cojinetes autolubricados impregnados de aceite. Su especial estructura porosa puede absorber el aceite, proporcionando una lubricación a largo plazo prácticamente sin mantenimiento.
• Aleaciones de aluminio: En los últimos años, en el campo de los vehículos eléctricos (VE), la popularidad de las aleaciones de aluminio ha experimentado un rápido aumento. La reducción de peso es una tendencia clave para los vehículos eléctricos. Las aleaciones de aluminio no sólo tienen una buena conductividad térmica, sino que también ofrecen una ventaja en la relación resistencia-peso.

2. Datos de rendimiento de los materiales de polvo metálico

Los materiales PM tienen la densidad como variable clave.

Densidad = Fuerza.
Cuanto mayor sea la densidad (g/cm³), mayor será la resistencia a la tracción y la energía de impacto.

A continuación se ofrece una comparativa de las propiedades típicas de los materiales PM (basada en la norma MPIF 35):

Categoría de material	Densidad típica (g/cm³)	Resistencia a la tracción (MPa/psi)	Característica principal	Aplicación común
Hierro-carbono (F-0008)	6.8 - 7.2	410 MPa (60k psi)	Resistencia moderada, bajo coste	Palancas, soportes
Hierro-cobre-acero (FC-0208)	6.8 - 7.2	550 MPa (80.000 psi)*.	Alta resistencia al desgaste	Engranajes de automoción
Acero inoxidable (SS-316)	6.4 - 6.8	380 MPa (55k psi)	Alta resistencia a la corrosión	Sensores de fluidos, Medicina
Bronce (CT-1000)	6.0 - 6.4	120 MPa (18k psi)	Autolubricación (aceite)	Casquillos, cojinetes

*Nota: Los valores indicados son para condiciones de tratamiento térmico cuando proceda.

Mi consejo para los diseñadores:

Por lo general, no es necesario buscar excesivamente una densidad alta. Si una densidad estándar (como 6,8 g/cm³) ya puede satisfacer sus requisitos de carga, insistir en 7,4 g/cm³ requeriría un proceso más caro de prensado secundario/sinterizado secundario. Esto sólo aumentaría sus gastos innecesariamente y no es rentable.

3. Ventajas de coste de los materiales pulvimetalúrgicos

Francamente, la pulvimetalurgia ofrece importantes ventajas de coste en comparación con el procesamiento mecánico tradicional, principalmente debido a las evidentes ventajas en los costes de material.

• Rendimiento del material: Al mecanizar un engranaje a partir de una barra, los residuos (virutas) pueden suponer entre 40 y 50%. En cambio, nuestro proceso pulvimetalúrgico presenta un índice de utilización de la materia prima de más de 97%, lo que supone una diferencia sustancial.
• Eficiencia energética: El proceso de sinterización suele consumir mucha menos energía total que la fusión y el mecanizado exhaustivo necesarios para la fundición o la forja.
• Reducción de la mano de obra: La pulvimetalurgia es un proceso altamente automatizado. Una vez depurado el molde, podemos producir de forma continua miles de piezas con muy poca intervención del operario, lo que se traduce en una eficiencia excepcional.

4. Posibles problemas y soluciones

En la producción real, a menudo nos encontramos con ciertos problemas con los materiales pulvimetalúrgicos, pero existen soluciones maduras. He aquí algunas de las más comunes:

• Problema: La resistencia de la pieza es insuficiente.
  • Solución: Podemos plantearnos utilizar polvo prealeado (como Astaloy) o emplear la "tecnología de compactación en caliente" para aumentar la densidad sin cambiar la geometría de las piezas. Se trata de un método muy práctico.
• Problema: La porosidad de la superficie es demasiado alta, lo que afecta a la galvanoplastia.
  • Solución: Antes de la galvanoplastia, realizamos una impregnación de resina (es decir, taponamos los poros). Esto garantiza una superficie lisa y un excelente efecto anticorrosión.
• Problema: Las tolerancias dimensionales son siempre inestables.
  • Solución: Esto suele ocurrir durante el proceso de sinterización. Podemos añadir un proceso de "conformado" (prensado fino) después de la sinterización para calibrar el tamaño a un rango de tolerancia muy estricto, como dentro de ± 0,01 mm. El efecto es inmediato.

Autor: Hausen， Ingeniero superior de aplicaciones pulvimetalúrgicas

Con más de 15 años de experiencia práctica en la industria PM, está especializado en tender puentes entre la ciencia de los materiales y la producción en serie. Ha dirigido con éxito cientos de proyectos industriales y de automoción desde el diseño CAD inicial hasta la sinterización. Miembro de la MPIF, escribe para ayudar a ingenieros y compradores a navegar por las complejidades de los materiales metálicos en polvo para lograr costes más bajos y un mayor rendimiento.