Lección 9.1Dar formaCapítulo 9 · Polvos y cerámicas

Pulvimetalurgia (prensado y sinterizado)

Prensa el polvo en una matriz y luego sinteriza en un horno de cinta

La pulvimetalurgia fabrica piezas metálicas sin fundir nunca el metal: se prensa polvo fino en una matriz y luego se calienta hasta que las partículas se unen. Así se hacen los pequeños engranajes de los taladros inalámbricos y los casquillos de bronce autolubricados de los ventiladores de mesa. Es una de las formas más baratas de fabricar piezas metálicas pequeñas y precisas por millones.

Foto: Alchemist-hp, CC BY-SA 3.0 de, vía Wikimedia Commons

Pulvimetalurgia de prensado y sinterizado · llenar, prensar, expulsar, sinterizarLos números en círculo coinciden con los pasos de abajo: la fila superior ocurre en una prensa y la inferior, en un horno largo.

Cómo funciona

Mezcla. Se mezcla polvo metálico fino, con granos casi siempre menores de 0,15 mm (más o menos como la harina), con polvos de aleación como grafito o cobre. Se añade entre un 0,5 y un 1 % de lubricante de cera para que el polvo deslice en la matriz.
Llena. Una tolva de alimentación se desliza sobre la matriz y deja caer el polvo en la cavidad (el hueco que da la forma). El punzón inferior se queda a una profundidad fija, así que cada llenado contiene la misma cantidad.
Prensa. Los punzones superior e inferior aprietan el polvo por ambos extremos a unos 400–800 MPa (4–8 toneladas por centímetro cuadrado). El resultado es una pieza “en verde”: tiene la forma completa, pero solo la sostienen los granos entrelazados, así que es tan frágil como una tiza.
Expulsa. El punzón inferior sube y empuja la pieza hacia fuera. La tolva la aparta al volver a rellenar, así que la prensa produce una pieza cada pocos segundos.
Sinteriza. Una cinta de malla lleva las piezas por un horno largo lleno de gas protector (un gas que evita la oxidación, la reacción que causa el óxido). Primero se quema el lubricante. Luego, a unos 1.120 °C en el hierro y el acero, los átomos se desplazan por cada punto de contacto (difusión) y hacen crecer “cuellos” sólidos entre las partículas.
Acabado, si hace falta. Muchas piezas están listas al salir del horno. Otras pasan por una prensa de calibrado para ajustar mejor las dimensiones, por un baño de aceite para obtener cojinetes autolubricados, por un tratamiento térmico para endurecerlas o por mecanizado para hacer agujeros laterales y roscas.

Datos clave

Materiales: Sobre todo hierro y acero; también acero inoxidable, bronce, latón, cobre, aluminio, aleaciones magnéticas y carburo de wolframio
Piezas típicas: Engranajes, piñones, levas, casquillos, piezas de cerraduras, imanes, filtros
Tamaño de pieza: Normalmente de unos pocos gramos a unos 2 kg, casi siempre del tamaño de una palma; la fuerza de la prensa limita la superficie de la cara
Precisión: Alrededor de ±0,05–0,1 mm tal como sale del sinterizado; más ajustada tras una prensa de calibrado
Acabado superficial: Gris mate fino, aproximadamente Ra 1–3 µm (Ra es la altura media de las irregularidades de la superficie)
Tamaño de lote adecuado: Gran volumen: normalmente de unas 10.000 a millones de piezas al año
Coste de utillaje y máquina: Juego de matrices de unos 10.000–100.000 $; las prensas y los hornos cuestan de cientos de miles a millones de dólares
Velocidad: Unas 10–30 piezas por minuto y por prensa; el paso por el horno dura aproximadamente de 1 a 3 horas, pero funciona sin parar

Ventajas y límites

Ventajas

Forma casi final: poco o ningún mecanizado y muy poco desperdicio
Bajo coste por pieza en grandes volúmenes
Permite mezclas imposibles por fusión, como cobre-wolframio o metal con poros incorporados
Muy repetible de una pieza a otra

Límites

Los poros que quedan (a menudo el 5–15 % del volumen) hacen las piezas más débiles que el acero macizo
Los juegos de matrices son caros, así que las series pequeñas rara vez compensan
Las formas deben salir rectas de la matriz: sin contrasalidas ni agujeros laterales
El tamaño y la altura están limitados por la fuerza de la prensa y por lo uniformemente que se compacte el polvo

Dónde se usa

AutomociónEngranajes de bombas de aceite, piñones de distribución, rotores de distribución de válvulas, bujes sincronizadores de cajas de cambios
Herramientas eléctricas y electrodomésticosEngranajes planetarios; casquillos autolubricados en taladros, ventiladores y batidoras
Cerraduras y herrajesLevas de cerradura, palancas, piezas de pestillos
EléctricoNúcleos de motor magnéticos blandos, imanes de ferrita y de tierras raras
FiltrosFiltros de bronce poroso y acero inoxidable, silenciadores de válvulas de aire
Herramientas de cortePlaquitas y puntas de broca de carburo de wolframio

Cómo reconocerlo

Una superficie gris mate uniforme; con una lupa quizá veas diminutos poros.
Formas prismáticas: el contorno es el mismo de arriba abajo, con caras planas y escalones solo en la dirección de prensado.
Casquillos de bronce que se sienten ligeramente aceitosos, porque sus poros retienen aceite.
Chaflanes que acaban en un diminuto plano en el borde, porque un borde de punzón afilado como un cuchillo se rompería.

Compáralo con

Moldeo por inyección de metal9.2moldea una pasta de polvo y plástico, así que fabrica piezas más pequeñas y complejas que acaban casi totalmente densas.Prensado isostático en caliente9.3aprieta con gas caliente desde todos los lados para cerrar los últimos poros, con un coste por pieza mucho más alto.Fundición a presión1.4funde aluminio o zinc y lo inyecta en un molde de acero; sirve para carcasas, no para engranajes de acero.

Míralo

MPIF Videos · Todo el recorrido del polvo a la pieza acabada, explicado por la asociación del sector

Simeko AG · Lo que ocurre entre las partículas dentro del horno

Comtec Mfg., Inc. · Prensas de compactación reales, un horno de sinterizado y piezas terminadas

GKN Powder Metallurgy · Cómo se fabrica el propio polvo metálico y las líneas de producción modernas

Ver fotos reales

Wikipedia: Pulvimetalurgia — visión general del proceso, con fotos de piezas sinterizadas
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Se prensa el polvo para darle forma y luego se calienta por debajo de su punto de fusión para que las partículas se unan.
Ideal para piezas pequeñas de contorno sencillo, fabricadas a cientos de miles y casi sin desperdicio.
Los poros que quedan restan algo de resistencia, pero hacen posibles los cojinetes autolubricados y los filtros.