Análisis en profundidad del polvo de aluminio

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Tabla de contenido

Visión general

El polvo de aluminio se refiere a partículas finas de metal de aluminio utilizadas como materia prima para técnicas de fabricación como la fabricación aditiva, la pulverización térmica, el prensado pulvimetalúrgico y las varillas de soldadura. El control de las características del polvo de aluminio, como la distribución del tamaño de las partículas, la morfología, los niveles de óxido y la microestructura, es fundamental para las propiedades de los componentes de aluminio acabados.

Existen varios métodos para producir polvos de aluminio incluyendo:

  • Atomización de gas
  • Atomización del aire
  • Fragmentación de alambre explosivo
  • Fresado y rectificado
  • Proceso electrolítico
  • Métodos químicos

Cada técnica de producción de polvo de aluminio da lugar a polvos con diferentes propiedades adecuadas para aplicaciones específicas.

Métodos de producción de aluminio en polvo

MétodoCaracterísticas principalesPrincipales aplicaciones
Atomización de gasesPolvos esféricos, niveles moderados de oxígenoMetal AM, recubrimientos por pulverización térmica
Atomización del aireFormas de polvo irregulares, niveles de óxido controladosPiezas de automóvil, extrusión de polvo
Alambre explosivoPolvos esféricos muy finosFabricación aditiva, combustible para cohetes
Fresado de bolasPolvos compuestos de aluminioMateriales energéticos, pirotecnia
ElectrolíticoPolvo en escamas, angular y dendríticoExplosivos, reacciones termita
QuímicaPartículas ultrafinas a nanoescalaresComposiciones pirotécnicas
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Análisis en profundidad de polvos de aluminio 4

Métodos de producción de aluminio en polvo

Existe una gran variedad de métodos comerciales para producir polvos de aluminio en función de las características requeridas del material y de las aplicaciones finales:

Atomización de gases

En el proceso de atomización con gas, el aluminio fundido se desintegra mediante chorros de gas inerte a alta presión en finas gotitas que se solidifican en partículas de polvo. Los polvos de aluminio atomizados con gas tienen una forma esférica con tamaños que oscilan entre 10 micras y 350 micras en función de los parámetros de procesamiento. Esta es la técnica predominante para la producción de polvo de aluminio reactivo con menor captación de oxígeno que la atomización de metal líquido.

ParámetroDescripción
Forma de las partículasMorfología esférica
Tamaño de las partículas10 - 350 μm típico
Contenido de óxido<3% en peso
Escala de producciónCientos de toneladas al año
CosteMás alto

Atomización del aire

En la atomización por aire, la corriente de aluminio fundido es perturbada por chorros de aire comprimido, lo que conduce a la formación de partículas finas de aluminio irregulares que contienen mayores niveles de óxido superficial procedentes del oxígeno del aire. La atomización con aire facilita la producción económica de grandes volúmenes de polvo de aluminio para piezas estructurales de P/M y reacciones aluminotérmicas.

ParámetroDescripción
Forma de las partículasForma irregular de las partículas
Tamaño de las partículas20 - 180 μm
Contenido de óxido3-8% en peso
Escala de producciónMiles de toneladas al año
CosteMuy económico

Proceso de electrodos rotatorios (REP)

En la técnica REP, el metal de aluminio fundido en forma de electrodos de alambre o varilla se hace girar a altas velocidades, fundiéndolo mediante arco eléctrico. Las fuerzas centrífugas expulsan las gotas fundidas produciendo partículas esféricas de aluminio muy finas, ideales para aplicaciones especializadas.

ParámetroDescripción
Forma de las partículasMuy esférica
Tamaño de las partículas5 - 60 μm
Contenido de óxido<1% en peso
Escala de producciónMenores volúmenes
CostePrecios más altos

Fresado de bolas

La molienda por bolas de alta energía de escamas metálicas de aluminio, partículas y polvos químicos se realiza para formar polvos de aluminio compuestos incrustando partículas de refuerzo que proporcionan una reactividad mecánica, química o explosiva especializada.

ParámetroDescripción
Forma de las partículasPartículas aplanadas y compuestas
Tamaño de las partículas1 - 100 μm
Contenido de óxidoPartículas recubiertas
Escala de producciónPequeños lotes
CosteModerado

Proceso electrolítico

En el proceso de electrólisis de sales fundidas, los iones de aluminio se electrodepositan en los cátodos produciendo partículas dendríticas o de forma irregular con una morfología superficial porosa ideal para las termitas pirotécnicas.

ParámetroDescripción
Forma de las partículasDendritas e irregulares
Tamaño de las partículas1 - 75 μm
Contenido de óxidoAlto de morfología
Escala de producciónMenor volumen
CosteEconómico para aplicaciones especializadas

Polvo de aluminio Composiciones

La mayoría de los polvos de aluminio constituyen aluminio de alta pureza con un contenido de Al superior a 98%. Las principales consideraciones en la composición son:

1. Elementos de aleación

Se añaden pequeñas cantidades de silicio, magnesio, zinc u otros elementos para conferir propiedades específicas.

Adiciones de aleaciónPeso % GamaEfecto
Silicio0.5 – 12%Aumenta la dureza y la resistencia al desgaste
Magnesio1 – 5%Mejora la resistencia
Zinc1 – 8%Mayor resistencia a temperaturas elevadas

2. Contenido de óxido

Los métodos de procesado determinan si en la superficie de las partículas hay finas capas de óxido protectoras u óxidos más pesados no adherentes.

Nivel de óxidoIdoneidad
<3%Aleaciones de alto rendimiento, componentes AM
3-8%Piezas estructurales P/M
>10%Termitas, pirotecnia

3. Contenido de hidrógeno

La captación de humedad durante la manipulación y el almacenamiento de la superficie de polvo de aluminio muy reactivo debe controlarse para evitar riesgos de incendio o detonación. Es beneficioso fabricar atmósferas con una humedad mínima.

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Propiedades de Polvo de aluminio

Entre los atributos clave que se tienen en cuenta a la hora de calificar los polvos de aluminio se incluyen:

Distribución granulométrica del polvo

Los analizadores de partículas por difracción láser o los análisis por tamizado proporcionan una granulometría de rango completo, desde fracciones de tamaño submicrónico hasta 500 micras. Los parámetros de tamaño típicos de los que se informa son:

ParámetroDescripción
D10, D50, D90Diámetro de partícula por debajo del cual caen las partículas 10%, 50% y 90% en volumen
Media, tamaño modalMedida de tendencia central
Span = (D90-D10)/D50Anchura de la distribución: un intervalo menor indica una distribución más estrecha.

Adaptar el tamaño de las partículas a las capacidades del método de producción permite maximizar la densidad y las propiedades de los componentes acabados.

Morfología de las partículas

La microscopía electrónica de barrido revela detalles finos de la forma de las partículas que dictan el comportamiento del polvo. Las partículas lisas y redondeadas mejoran el flujo y la densidad de empaquetamiento. Las formas irregulares proporcionan un enclavamiento mecánico.

Densidad aparente y de toma

Indican el comportamiento de consolidación y manipulación del polvo mediante procedimientos de ensayo normalizados. Las densidades más altas facilitan la densificación durante la compactación.

ParámetroAlcance típico
Densidad aparente0,2 - 0,6 g/cc
Densidad del grifo0,7 - 1,3 g/cc

Características del flujo

El tiempo que tardan 50 g de polvo en fluir por el embudo de un caudalímetro Hall se correlaciona bien con el rendimiento de esparcimiento durante el llenado de capas en 3DP con chorro de aglutinante y el llenado de cavidades de matrices en la compactación pulvimetalúrgica. Las partículas esféricas lisas muestran mejores velocidades de flujo.

Superficie

La superficie BET de absorción de gas medida se utiliza para calcular el espesor de las capas de óxido superficiales presentes, que influyen en el comportamiento de iniciación en las reacciones aluminotérmicas o en los rendimientos de la combustión pirotécnica.

Aplicaciones del aluminio en polvo

Las propiedades únicas de los polvos de aluminio reactivo los hacen fundamentales para diversas industrias:

Fabricación aditiva de metales

Los polvos esféricos de aluminio se utilizan como materia prima para la fusión selectiva por láser, la fusión por haz de electrones y la fabricación aditiva por chorro de ligante tras clasificar la distribución del tamaño de las partículas de polvo para cumplir los requisitos de la máquina.

Revestimientos por pulverización térmica

Los polvos especializados de aluminio de bajo contenido en óxido pulverizados por plasma o alambre crean revestimientos protectores de aluminio que ofrecen una alta reflectividad combinada con resistencia a la corrosión.

Pulvimetalurgia

La compactación y sinterización de polvos de aluminio produce componentes de precisión de gran volumen, como piezas de automoción, con un excelente control dimensional y un rendimiento inalcanzable con otras técnicas.

Materiales energéticos

Las reacciones de termita de polvos finos de aluminio con óxidos metálicos o las combustiones pirotécnicas proporcionan intensos resultados exotérmicos para aplicaciones militares, aeroespaciales o civiles que van desde explosivos y propulsores hasta iluminación, generación de gas o calefacción.

Tiras de aleación Al-Mg

Las preformas de polvo de aluminio compactado se extruyen en caliente en tiras de aleación de Al-Mg y láminas enrolladas ideales para la fabricación de placas de blindaje. La pulvimetalurgia permite un refinamiento microestructural y una uniformidad inviables en las aleaciones de fundición convencionales.

Especificaciones y normas

Los productores de polvo de aluminio deben controlar minuciosamente las atmósferas de producción, las técnicas de procesamiento y los procedimientos de manipulación para cumplir las normas certificadas de los mercados críticos, entre ellos:

Especificaciones del polvo metálico AMS

  • Granalla de acero AMS 4200
  • Polvos de aluminio AMS 4205 para pulverización térmica

Normas ASTM

  • B215 para polvos atomizados con gas
  • B951 para extrusiones de polvo de aluminio prensado y sinterizado
  • B937 para piezas aeroespaciales de fabricación aditiva atomizadas por gas

Normas ISO

  • Revestimientos por pulverización térmica ISO 14361
  • ISO 22068 Diseño de piezas moldeadas a presión de aleaciones de aluminio

Normas CEN

  • EN 10204 3.1 certificación de la calidad de los materiales

Especificaciones de materiales aeroespaciales SAE (AMS)

  • Granalla AMS 4200
  • Polvo de aluminio atomizado con gas AMS 4205

El mantenimiento de un riguroso control de calidad para satisfacer los límites químicos obligatorios de impurezas como el hierro, el silicio y el zinc, junto con la verificación de las características del polvo, satisfacen las necesidades de aplicación y seguridad en ámbitos sensibles.

Análisis del mercado del aluminio en polvo

Se estima que la demanda mundial de aluminio en polvo alcanzará los 1,6 millones de toneladas métricas en 2027 impulsada por:

1. Crecimiento de la fabricación aditiva de metales

  • Ventajas del aligeramiento para los componentes aeroespaciales
  • Implantes e instrumentos sanitarios de aleaciones de Al biocompatibles

2. Impulso del aligeramiento en la automoción

  • Piezas de aluminio P/M en sustitución del hierro fundido y el acero

3. Innovación en formulaciones energéticas de aluminio reactivo

  • Defensa, espacio, industrias civiles

Los principales productores internacionales de polvo de aluminio son:

ProveedorSede centralCapacidad de producción
Toyo Aluminium K.K.JapónAtomización con gas, aire o vacío
UC RusalRusiaAtomización del aire
Alcoa CorporationEE.UU.Atomización del aire
Luxfer MagtechEE.UU.Atomización por gas, aire y centrífuga
Hoganas ABSueciaAtomización del aire

Los precios varían en función de:

  • Volumen de producción
  • Niveles de pureza
  • Cribado o fresado adicional
GradoPrecio estimado
Polvos de Al atomizados con aire$3 - $5 por kg
Polvo esférico de Al atomizado con gas$15 - $30 por kg
Aleaciones especiales de AlHasta $50 por kg

Beneficios y desafíos

Ventajas

  • Aligeramiento en comparación con el acero o el titanio
  • Económico en comparación con otros metales estructurales
  • Formulaciones reactivas que proporcionan salidas exotérmicas intensas
  • Reciclable y reutilizable

Desafíos

  • Oxidación muy exotérmica que requiere una manipulación y un almacenamiento inertes y controlados.
  • Fragilización por hidrógeno que disminuye las propiedades mecánicas
  • Temperaturas de uso limitadas hasta 200°C para la mayoría de las formulaciones

Comparación de los polvos de aluminio con otras alternativas:

ParámetroPolvo de aluminioAcero inoxidableTitanio
DensidadBajoMás altoMás alto
CosteBajoModeradoAlta
ReactividadAltaBajoModerado
Estabilidad medioambientalFeriaExcelenteMuy buena
Homologaciones de contacto con alimentos✅ Sí✅ SíAlgunos grados
polvos de aluminio
Polvos metálicos PREPED

preguntas frecuentes

P: ¿Qué distribución del tamaño de las partículas se utiliza normalmente con los polvos de aleación de aluminio para la fabricación aditiva?

R: En la AM por fusión en lecho de polvo, el tamaño de las partículas de aluminio suele oscilar entre 15 y 63 micras. Los polvos más finos pueden mejorar la resolución, pero dificultan la manipulación. Es fundamental adaptar las distribuciones a los parámetros de la máquina.

P: ¿Qué afecta a la vida útil de los polvos de aluminio para formulaciones energéticas?

R: La reactividad aumenta con el tiempo a medida que la humedad de almacenamiento provoca la formación de hidróxidos e hidratos de aluminio en las superficies de las partículas, liberando hidrógeno y posibles condiciones inflamables. Es esencial un embalaje sellado inerte y un almacenamiento con humedad regulada (<30%).

P: ¿Cuáles son las normas comunes especificadas para los polvos de aluminio utilizados en los revestimientos por pulverización térmica?

R: Los estrictos límites químicos sobre metales pesados regulados por la FDA y el USDA garantizan revestimientos de acabado sin impurezas lixiviables. Las principales normas son AMS 4205 y ASTM B215, que controlan los oligoelementos Fe, Si y Cu. La materia prima del alambre de pulverización térmica también cumple la norma ISO 14361.

P: ¿Qué aleación de aluminio se prefiere para la fabricación aditiva de implantes biomédicos?

R: La aleación de aluminio AlSi10Mg cumple estrictos requisitos químicos y ofrece una excelente biocompatibilidad, solidez y resistencia a la corrosión combinadas con una menor densidad que las aleaciones de titanio o acero inoxidable. Los polvos esféricos permiten geometrías impresas complejas.

P: ¿Cómo se gestiona el riesgo de ignición pirofórica al mecanizar componentes de aluminio P/M?

R: Los tratamientos térmicos de recocido a baja temperatura se aplican antes de cualquier segunda operación de mecanizado para transformar las partículas residuales de magnesio y aluminio presentes de estados reactivos explosivos a fases intermetálicas más estables para permitir con seguridad el mecanizado convencional.

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