Lección 9.4Dar formaCapítulo 9 · Polvos y cerámicas

Sinterizado por plasma de chispa (SPS)

Una corriente pulsada calienta en minutos una matriz de grafito prensada

El sinterizado por plasma de chispa (SPS) prensa polvo en una matriz de grafito mientras la atraviesa una enorme corriente eléctrica pulsada. La matriz se calienta sola, así que el polvo se convierte en un sólido denso en minutos en lugar de horas. Los laboratorios lo usan para fabricar materiales nuevos, como cerámicas ultraduras, que los hornos normales tienen dificultades para densificar.

Foto: Raihan.Rumman, CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons

Sinterizado por plasma de chispa · columna de prensa, circuito de corriente, densificaciónLa columna de la prensa se dibuja cortada por la mitad; el panel de la derecha muestra lo que ocurre dentro de la matriz y lo que sale. Los números en círculo coinciden con los pasos.

Cómo funciona

Llena la matriz. El polvo se vierte en una matriz de grafito (un tubo grueso) entre dos punzones de grafito. La matriz suele forrarse con lámina de grafito para que la pieza se desmolde.
Carga y haz el vacío. El conjunto de matriz se coloca entre los émbolos refrigerados por agua de una prensa dentro de una cámara. Se extrae el aire (vacío) o se sustituye por argón, para que el grafito caliente y el polvo no se quemen.
Prensa y haz pasar corriente. Los émbolos presionan normalmente a 30–100 MPa mientras una fuente de alimentación envía corriente continua pulsada, miles de amperios a unos pocos voltios, a través del grafito. La matriz se calienta desde dentro por resistencia eléctrica, como el hilo de una tostadora, a 100 °C por minuto o más. A pesar del nombre, normalmente no hay chispa ni plasma.
Mantén un breve momento. Tras normalmente 5–10 minutos a la temperatura máxima (a menudo 1.000–2.000 °C, según el material), las partículas se unen y los poros se expulsan. El émbolo baja a medida que el polvo se contrae, lo que indica cuándo está denso.
Enfría y expulsa. Con la corriente apagada, los émbolos refrigerados por agua extraen el calor con rapidez. El disco denso se extrae de la matriz y su piel de grafito se rectifica antes de cortar o acabar.

Datos clave

Materiales: Cerámicas (alúmina, carburo de silicio, boruros), metales duros, wolframio y otros metales de alto punto de fusión, termoeléctricos, compuestos, polvos muy finos
Piezas típicas: Discos y bloques sencillos: blancos de pulverización, placas de blindaje, piezas en bruto de herramientas de corte, muestras de investigación
Tamaño de pieza: Sobre todo discos de 10–50 mm en laboratorios; las máquinas industriales fabrican piezas de hasta unos cientos de milímetros de ancho
Precisión: Bruta tras el sinterizado: el diámetro lo fija la matriz, el espesor con menos exactitud; las tolerancias finales vienen del rectificado
Acabado superficial: Una piel gris de grafito, rectificada o pulida después
Tamaño de lote adecuado: De piezas únicas a series pequeñas: investigación, prototipos y piezas especiales
Coste de utillaje y máquina: Las matrices de grafito son consumibles que cuestan aproximadamente de decenas a cientos de dólares; las máquinas van de unos cientos de miles de dólares (laboratorio) a millones (industriales)
Velocidad: Normalmente de 10 a 30 minutos por ciclo más enfriamiento, una pieza o una pequeña pila cada vez

Ventajas y límites

Ventajas

Muy rápido: minutos en lugar de horas
Mantiene los granos (los diminutos cristales del material) muy finos, lo que puede hacerlo más resistente o incluso transparente
Densifica materiales difíciles de sinterizar, como boruros y carburos, a menudo sin aditivos
Puede unir capas de materiales distintos en un solo ciclo

Límites

Solo formas sencillas: discos, bloques, cilindros cortos
Piezas pequeñas y baja producción por máquina
El utillaje de grafito limita la presión a unos 100 MPa y puede aportar carbono a la superficie
La temperatura puede ser desigual en piezas grandes o en polvos que no conducen

Dónde se usa

Laboratorios de investigaciónNuevas cerámicas, aleaciones y compuestos; pruebas rápidas de muchas recetas
ElectrónicaMateriales termoeléctricos, blancos de pulverización para recubrimientos de película fina
Defensa y aeroespacialBlindaje de carburo de boro, cerámicas para calor extremo
HerramientasPiezas en bruto de herramientas de corte y piezas de metal duro
ÓpticaCerámicas transparentes, como ventanas de espinela, sobre todo a escala de investigación

Cómo reconocerlo

Discos planos o cilindros cortos con exactamente la forma de una matriz redonda.
Una piel gris de grafito en las piezas sin acabar.
Caras rectificadas en casi todas las piezas terminadas, ya que las piezas de SPS rara vez se usan tal como salen.

Compáralo con

Prensado isostático en caliente9.3presiona con gas desde todos los lados y maneja formas complejas, pero un ciclo dura horas.Pulvimetalurgia9.1prensa en frío y luego sinteriza en un horno aparte; mucho más barato por pieza, pero menos denso.Sinterizado por microondas9.5también calienta desde dentro para ir rápido, pero con microondas en lugar de corriente, y sin presión.

Míralo

Prof. Neha Gupta · El principio: corriente pulsada a través de una matriz de grafito bajo presión

Haoyuevac · Un ciclo real de laboratorio, con la matriz brillando al calentarse

ThermalTechnology1 · Un sistema industrial: cámara, columna de prensa y controles

Taylor Sparks · Para qué se usa el SPS en la industria y cuáles son sus límites

Ver fotos reales

Wikipedia: Sinterizado por plasma de chispa — otros nombres (FAST, PECS), velocidades de calentamiento y materiales; sobre todo texto
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

El SPS calienta directamente la matriz y el polvo con una gran corriente pulsada mientras presiona.
Minutos en lugar de horas mantienen los granos finos y hacen densos los materiales duros.
Es un proceso de laboratorio y de especialidad para discos y bloques sencillos, no para la producción en masa.