Introducción
tecnología de atomización de metales es un proceso en el que el metal se convierte de líquido a polvo mediante la desintegración del metal fundido en gotas muy finas utilizando gas o agua. Las gotitas se solidifican rápidamente en partículas de polvo de un tamaño comprendido entre 5 y 500 μm. La tecnología de atomización ha permitido la producción de polvos metálicos con una distribución precisa del tamaño de partícula, composición y morfología. Los polvos metálicos encuentran aplicaciones en la fabricación de componentes mediante pulvimetalurgia, pulverización térmica, fabricación aditiva de metales, etc. Este artículo ofrece una visión general de los distintos métodos de atomización, las características de los polvos atomizados y sus aplicaciones en diferentes industrias.
Métodos de tecnología de atomización de metales
Existen dos técnicas principales para la atomización de metales:
Atomización de gas
En la atomización con gas, la corriente de metal fundido se desintegra mediante chorros de gas a alta velocidad, normalmente nitrógeno o argón. Los aparatos de atomización con gas constan de un sistema de suministro de material fundido, una cámara de atomización y un sistema de recogida de polvo. El sistema de suministro de masa fundida es un distribuidor o crisol con una boquilla en la parte inferior a través de la cual fluye el metal fundido. Al salir de la boquilla, la corriente de metal recibe el impacto de chorros de gas a alta presión dispuestos radial o paralelamente a la corriente de metal fundido. Los chorros de gas rompen la masa fundida en finas gotitas que se solidifican rápidamente a medida que descienden hacia la cámara de recogida.
A continuación se enumeran las principales ventajas de la atomización con gas:
- Se pueden producir polvos finos con un tamaño medio de hasta 20 μm. La distribución granulométrica es estrecha.
- Los polvos atomizados con gas tienen una morfología de partícula redondeada ideal para aplicaciones de sinterización.
- Los metales reactivos como el titanio o el aluminio pueden atomizarse, ya que el proceso se lleva a cabo en atmósfera inerte.
- Múltiples chorros de gas permiten producir grandes volúmenes de polvo de forma continua.
Sin embargo, la atomización con gas requiere una gran inversión de capital y los costes de funcionamiento son elevados debido al gran consumo de gas.
Atomización del agua
En la atomización con agua, la corriente de metal fundido que sale de la boquilla es desintegrada por chorros de agua procedentes de arriba o de los laterales. La atomización con agua no requiere gas inerte y es un proceso más sencillo. Pero el rango de tamaño de partícula es de 100 - 500 μm y las partículas de polvo tienen una morfología irregular. Sus principales aplicaciones son el recubrimiento en polvo de componentes metálicos.
Los polvos atomizados con agua tienen aplicaciones limitadas en pulvimetalurgia, ya que no es posible obtener polvos finos. Sin embargo, la atomización con agua es más económica que la atomización con gas.
Características de los polvos atomizados
Las propiedades de los polvos metálicos atomizados dependen de la composición de la aleación metálica y de los parámetros del proceso de atomización. La optimización de los parámetros del proceso permite producir polvos con las características deseadas.
Tamaño y forma de las partículas
- Los polvos atomizados con gas tienen un tamaño de partícula más pequeño de 5 - 150 μm en comparación con los polvos atomizados con agua (100 - 500 μm).
- Las partículas atomizadas con agua tienen formas irregulares, mientras que los polvos atomizados con gas tienen una morfología más esférica.
- La distribución del tamaño de las partículas es un parámetro importante. Se prefiere una distribución estrecha para aplicaciones como la fabricación aditiva de metales.
Pureza
- La atomización con gas realizada en atmósfera controlada permite retener la química de la aleación en el polvo.
- Los polvos atomizados con agua pueden presentar contaminación por absorción de oxígeno.
- Los polvos finos tienen una gran superficie y pueden oxidarse fácilmente cuando se manipulan al aire. Los tratamientos de pasivación se utilizan para evitar la oxidación.
Densidad
- La rápida solidificación durante la atomización da lugar a una microestructura refinada. Las partículas de polvo tienen baja porosidad.
- Los polvos atomizados con gas tienen mayor densidad que los polvos atomizados con agua.
- La porosidad cerrada de los polvos atomizados mejora la compresibilidad durante la compactación.
Fluidez
- La forma irregular de las partículas y la amplia distribución de tamaños provocan una mala fluidez en los polvos atomizados con agua.
- Los polvos esféricos finos producidos por atomización con gas tienen buena fluidez.
Coste
- Los polvos atomizados con gas son 10 veces más caros que los polvos atomizados con agua.
- El coste depende de la composición, es decir, las aleaciones reactivas como el titanio son más caras.
- Cuanto más fino es el polvo, mayor es el coste. El coste aumenta exponencialmente para polvos muy finos.
Aplicaciones de los polvos metálicos atomizados
Las características únicas de los polvos atomizados han permitido su uso en todas las industrias manufactureras.
Pulvimetalurgia
Los polvos atomizados se compactan y sinterizan para producir componentes de precisión como cojinetes, engranajes, imanes, etc. Los requisitos importantes son:
- Forma esférica y estrecha distribución de tamaños para una alta densidad y una compactación uniforme
- Polvos finos (<100 μm) para una mayor densidad sinterizada.
- Bajo contenido en oxígeno para minimizar la porosidad tras la sinterización
Fabricación aditiva de metales
También conocida como impresión 3D, es una de las aplicaciones de los polvos atomizados que más rápido está creciendo. Requisitos clave de los materiales:
- Morfología esférica del polvo para una buena fluidez
- Granulometría entre 15-45 μm para precisión y acabado superficial
- Distribución de tamaño estrecha para una deposición y densidad de capa uniformes
- Bajo contenido en oxígeno para unas propiedades mecánicas superiores
Las superaleaciones de titanio y níquel son aleaciones de uso común.
Revestimientos por pulverización térmica
En los procesos de pulverización térmica, como la pulverización de plasma, la pulverización de llama, etc., los polvos atomizados se calientan hasta fundirse y se pulverizan sobre la superficie del componente. Los recubrimientos proporcionan resistencia al desgaste y a la corrosión. Características del polvo:
- Rango de tamaño de partícula adecuado para la técnica de pulverización (10 - 100 μm)
- Bajo contenido en oxígeno para una mayor densidad de recubrimiento y fuerza de adherencia
- El coste es crítico, por lo que los polvos atomizados con agua utilizados habitualmente
Moldeo por inyección de metales (MIM)
El MIM combina las ventajas del moldeo por inyección de plástico y la pulvimetalurgia para producir piezas metálicas pequeñas y complejas. La preparación de la materia prima consiste en mezclar polvo metálico fino con aglutinante. Requisitos:
- Tamaño de partícula inferior a 20 μm para una mezcla homogénea con el aglutinante.
- Morfología esférica para mejorar el flujo durante el moldeo
- Distribución de tamaños estrecha
Avances en la tecnología de atomización
La investigación continua ha llevado al desarrollo de técnicas de atomización para producir polvos con propiedades personalizadas y nuevas aleaciones. Algunas tendencias clave son:
- Múltiples configuraciones de boquillas de gas para producir polvos atomizados más finos
- Uso de la atomización por acoplamiento estrecho para aleaciones reactivas como titanio, aluminio
- Atomización híbrida que combina atomización con gas y agua
- Oxidación controlada durante la atomización con agua para mejorar las propiedades del polvo
- Atomización mediante técnicas de atomización centrífuga y ultrasónica
- Simulaciones por ordenador de la solidificación de gotas para optimizar el proceso de atomización
El desarrollo de nuevas aleaciones ligeras y de alta resistencia también ha ampliado las áreas de aplicación de los polvos atomizados.
Conclusión
La tecnología de atomización de metales produce polvos metálicos finos y de forma precisa adecuados para procesos avanzados de fabricación basados en polvo. Gracias a la posibilidad de controlar las características del polvo, los polvos atomizados se utilizan cada vez más en componentes de alto rendimiento de los sectores de la automoción, aeroespacial, biomédico y otros. Los avances en curso permitirán fabricar materiales a medida utilizando polvos atomizados.
preguntas frecuentes
¿Cuáles son los distintos métodos utilizados para la atomización de metales?
Los dos métodos principales son la atomización con gas y la atomización con agua. En la atomización con gas, el metal fundido se desintegra en finas gotitas mediante chorros a alta velocidad de gas inerte, como nitrógeno o argón. En la atomización con agua, los chorros de agua impactan en la corriente de metal fundido que sale de la punta de la boquilla.
¿Qué tipo de metales se pueden atomizar?
La mayoría de las aleaciones basadas en aluminio, cobre, hierro, níquel, etc. pueden atomizarse fácilmente. Las aleaciones reactivas como el titanio y el magnesio también pueden atomizarse utilizando una atmósfera controlada en unidades de atomización de gas. Algunos ejemplos son las aleaciones de aluminio, los aceros inoxidables, las superaleaciones de níquel y las aleaciones de titanio.
¿Cuáles son las principales aplicaciones de los polvos metálicos atomizados?
Algunas aplicaciones importantes son la fabricación de piezas pulvimetalúrgicas, la fabricación aditiva de metales mediante impresión 3D, los recubrimientos por pulverización térmica, el moldeo por inyección de metales de pequeños componentes precisos, la forja en polvo, la producción de escamas y pastas metálicas, etc.
¿Por qué la atomización con gas produce polvos más finos que la atomización con agua?
En la atomización con gas, los chorros de gas a alta velocidad tienen suficiente impulso para desintegrar la corriente de metal en gotas muy finas de unas 5-50 micras. Además, la rápida velocidad de enfriamiento de la atomización con gas facilita la disgregación en gotas más finas. En la atomización con agua, las velocidades del chorro de agua son menores, lo que da lugar a un polvo más grueso de 100 micras y más.
¿Cuál es la diferencia de coste típica entre los polvos atomizados con gas y con agua?
Los polvos atomizados con gas son unas 10 veces más caros que los polvos atomizados con agua. Esto se debe a que la atomización con gas requiere una inversión de capital muy elevada en equipos y altos costes de funcionamiento debido al consumo de gas. En comparación, las unidades de atomización con agua son baratas de instalar y utilizar.