Introducción
POLVOS METÁLICOS son partículas metálicas finamente divididas que se utilizan en diversos procesos de fabricación. Los polvos metálicos pueden fabricarse a partir de diversos metales como hierro, aluminio, cobre, níquel y otros. Tienen amplias aplicaciones en muchas industrias, como la automovilística, la aeroespacial, la electrónica, la química y la farmacéutica, entre otras. Esta completa guía le mostrará los distintos métodos utilizados para producir polvos metálicos, junto con sus principios y aplicaciones.
Métodos de producción de polvos metálicos
Existen varias técnicas para producir polvos metálicos que pueden clasificarse en métodos mecánicos, físicos y químicos. Cada método tiene sus propios principios, requisitos de equipamiento y da lugar a polvos con características diferentes. Los métodos más comunes utilizados para la producción de polvo metálico incluyen:
Métodos mecánicos
Fresado
La molienda consiste en descomponer mecánicamente el metal en polvo. El material de partida suele estar en forma de partículas gruesas o desechos que se muelen con molinos de bolas, de martillos o de chorro. En los molinos de bolas, las partículas se descomponen mediante bolas que giran en el interior del molino. Los molinos de martillos utilizan martillos o cuchillas para triturar el metal. Los molinos de chorro micronizan las partículas haciéndolas chocar a gran velocidad. La molienda produce polvos con formas irregulares y una amplia distribución granulométrica. Es sencillo y rentable, pero no permite un control preciso de las características del polvo.
Atomización
La atomización es un método de producción de polvo metálico que consiste en forzar el metal fundido a través de una pequeña abertura en una boquilla u orificio. El metal emerge como una pulverización de finas gotitas que se solidifican en partículas de polvo. Según el método de desintegración, la atomización puede clasificarse en atomización por gas, agua, plasma, centrífuga y ultrasónica. La atomización por gas y agua son los tipos más comunes. Este método produce polvos esféricos con partículas de tamaño preciso. Sin embargo, requiere equipos especializados y un elevado aporte de energía.
Electrodeposición
También conocida como galvanoplastia, la electrodeposición produce polvo metálico depositando electrolíticamente iones metálicos sobre un cátodo a partir de una solución electrolítica. La capa depositada se retira y se tritura hasta convertirla en polvo. Este método permite controlar el tamaño y la forma de las partículas. Pero los polvos tienen una densidad aparente baja y los índices de producción son lentos. Se utiliza para producir polvos de metales como cobre, hierro, cobalto, etc.
Métodos físicos
Evaporación
Las técnicas de evaporación, como la evaporación al vacío, producen vapores metálicos que luego se condensan en finos polvos metálicos. El metal se calienta hasta que se evapora en una cámara de vacío y luego se condensa en superficies frías para formar un polvo. Este método puede producir polvos esféricos con una distribución controlada del tamaño de las partículas. Sin embargo, requiere equipos especializados y no es adecuado para metales con puntos de fusión elevados.
Pulverización catódica
La pulverización catódica utiliza la energía del plasma para expulsar átomos de un blanco metálico sólido. Los átomos expulsados se depositan como una fina película y se raspan para formar polvos. Permite controlar el tamaño, la morfología y la composición de las partículas. Pero el ritmo de producción es muy lento e inadecuado para la fabricación a gran escala. Este método se utiliza principalmente para producir polvos ultrafinos y nanopolvos.
Métodos químicos
Reducción
La reducción consiste en convertir sales u óxidos metálicos en polvo metálico utilizando agentes reductores como el hidrógeno, el carbono, el monóxido de carbono, etc. Por ejemplo, el óxido de hierro puede reducirse con hidrógeno para producir polvo de hierro. Este método versátil puede producir polvos de varios metales. Los polvos tienen una gran pureza pero formas irregulares y una amplia distribución del tamaño de las partículas.
Electrólisis
La electrólisis utiliza células electrolíticas para producir polvos metálicos a partir de soluciones que contienen sus iones. El polvo se deposita en el cátodo mientras el ánodo se disuelve para reponer los iones metálicos de la solución. Este método permite controlar las características de las partículas y se utiliza para producir polvos de aluminio, cromo, titanio y magnesio. Sin embargo, se trata de un proceso costoso con índices de producción lentos.
Síntesis autopropagada a alta temperatura (SHS)
El SHS implica una reacción exotérmica entre óxidos metálicos y agentes reductores para producir polvos metálicos. El calor generado por la reacción sostiene y propaga el proceso de conversión química. El óxido de hierro y el aluminio son las materias primas más utilizadas en las reacciones de SHS. Es un método sencillo y rentable, pero requiere un equipo de reacción especializado y un control del proceso.
Metales de uso común para la fabricación de polvos
Algunos de los metales base más utilizados para fabricar polvos son:
- Hierro: El polvo de hierro es uno de los polvos ferrosos más utilizados. Se producen a partir de mineral de hierro reducido y encuentran aplicaciones en pulvimetalurgia, fabricación de piezas de automóvil, imanes, herramientas de corte y tintas magnéticas.
- Aluminio: Los polvos de aluminio tienen una alta conductividad térmica/eléctrica y se utilizan en reacciones termita, fabricación aditiva, piezas de automoción, pinturas, pirotecnia, etc. Se producen por atomización de aluminio fundido.
- Cobre: Los polvos de cobre tienen una excelente conductividad térmica y eléctrica. Se fabrican por electrólisis, atomización o métodos de reducción y se utilizan para fabricar componentes electrónicos, alambres de bobinado, materiales de fricción, varillas de soldadura, etc.
- Níquel: Los polvos de níquel tienen resistencia a la corrosión, tenacidad y propiedades ferromagnéticas. Se producen por descomposición carbonílica, electrólisis o reducción y se utilizan para fabricar aceros aleados, baterías, catalizadores, pinturas conductoras, etc.
- Estaño: Los polvos de estaño se utilizan como materiales de revestimiento, en soldaduras, cojinetes y fabricación de productos químicos. Se producen por atomización o electrodeposición a partir de soluciones de estaño.
- Tungsteno: Los polvos de wolframio tienen alta densidad, resistencia y punto de fusión. Se fabrican por reducción de hidrógeno y se utilizan para fabricar alambres de tungsteno, elementos calefactores y revestimientos resistentes al desgaste.
- De plata: Los polvos de plata tienen una elevada conductividad eléctrica y térmica. Se producen por electrólisis y se utilizan en soldaduras, aleaciones de soldadura, revestimientos conductores y contactos fotovoltaicos.
- De oro: El oro en polvo es químicamente estable y conductor de la electricidad. Se producen mediante métodos electrolíticos o de evaporación y se utilizan para la fabricación de componentes electrónicos y revestimientos decorativos.
Aplicaciones de los polvos metálicos
Los polvos metálicos tienen una amplia gama de aplicaciones en muchas industrias:
- Fabricación: La pulvimetalurgia utiliza polvos metálicos para fabricar componentes acabados o semiacabados. Los polvos se compactan y luego se sinterizan para producir piezas precisas con formas complejas. Los productos más comunes son engranajes, casquillos, cojinetes, imanes, herramientas de corte, piezas de automóvil, etc.
- Fabricación aditiva: El sinterizado selectivo por láser, el sinterizado directo de metal por láser y la inyección de aglutinante utilizan polvos metálicos para imprimir en 3D componentes metálicos capa por capa. Las industrias aeroespacial, médica y automovilística utilizan estas tecnologías.
- Electrónica: Los polvos de cobre y plata se utilizan para fabricar circuitos impresos, condensadores cerámicos multicapa y adhesivos conductores. Con los polvos de ferrita se fabrican inductores y núcleos de transformadores.
- Industria química: Los polvos metálicos actúan como catalizadores y reactivos para la fabricación de productos químicos, farmacéuticos, derivados del petróleo, pigmentos y materiales para baterías.
- Revestimientos: Las escamas de aluminio producen revestimientos metálicos en pinturas. Los polvos de cobre y zinc producen revestimientos anticorrosivos. Los polvos metálicos también producen revestimientos conductores y blindajes electromagnéticos.
- Soldadura: Los polvos de aluminio y magnesio se utilizan para provocar reacciones exotérmicas en la soldadura termita. Los polvos de hierro, cobre y níquel producen materiales de aportación para la soldadura.
- Pirotecnia: Los polvos de aluminio, magnesio y hierro son componentes clave de fuegos artificiales, bengalas y termitas debido a sus reacciones de oxidación exotérmica.
- Otros: Los polvos metálicos encuentran otros nichos de aplicación en la fabricación de herramientas diamantadas, materiales de fricción, aleaciones para soldadura fuerte, plástico conductor, tintas magnéticas, etc.
Propiedades de los polvos metálicos
Las propiedades de los polvos metálicos están influidas por el método de producción, así como por la composición, el tamaño de las partículas, la forma, la porosidad y la microestructura. Entre las propiedades importantes del polvo se incluyen:
- Tamaño de las partículas: Medido en micrómetros (micras), el tamaño influye en la densidad, la reactividad y el comportamiento de sinterización. Los polvos ultrafinos tienen tamaños inferiores a 10 micras.
- Forma de las partículas: La forma afecta al flujo del polvo y a la densidad de empaquetamiento. Son comunes las formas granulares, esféricas, en escamas y dendríticas.
- Distribución del tamaño de las partículas: Una distribución estrecha permite un envasado y procesado uniformes, mientras que una distribución amplia puede segregar durante la manipulación.
- Densidad aparente: Relación entre la masa y el volumen de polvo. Afecta a la compresibilidad y a la densidad final de la pieza. Los valores oscilan entre 25%-80% de densidad teórica.
- Densidad del grifo: Densidad máxima alcanzada tras el roscado mecánico. Indica la eficiencia del empaquetado del polvo.
- Caudal: Importante para la manipulación y el procesamiento. Influido por factores como el tamaño de las partículas, la forma, el óxido superficial y la humedad.
- Compresibilidad: Capacidad del polvo de deformarse bajo presión para formar un compacto. Depende de la ductilidad, el endurecimiento por deformación y los gases adsorbidos.
- Actividad de sinterización: Capacidad de las partículas de polvo para unirse durante el calentamiento. Influyen la composición, el tamaño de las partículas, el contenido de óxido y los defectos.
- Pureza: La presencia de oxígeno, nitrógeno y carbono puede afectar negativamente a las propiedades del polvo. Para aplicaciones críticas se requiere un alto grado de pureza.
Medidas de seguridad para la manipulación de polvos metálicos
La manipulación de polvos metálicos conlleva riesgos potenciales para la salud y la seguridad. Algunas medidas clave son:
- Utilizar equipo de protección: guantes, protección ocular, mascarillas y trajes de cuerpo entero mientras se manipulan los polvos para evitar la inhalación y el contacto con la piel.
- Evite las fuentes de ignición - los polvos pueden combustionar cuando se exponen al calor, chispas o llamas. Siga los procedimientos adecuados de conexión a tierra.
- Evite las explosiones de polvo: los polvos forman mezclas explosivas de polvo y aire. Utilice sistemas de extracción de polvo y evite las acumulaciones de polvo.
- Almacenamiento inerte: los polvos suelen almacenarse en recipientes sellados con gases inertes, como argón o nitrógeno, para evitar la oxidación.
- Asegúrese de que haya una ventilación adecuada: utilice campanas extractoras de humos o ventilación de extracción local para evitar la exposición a humos metálicos y polvo en polvo.
- Evite los derrames - limpie los derrames inmediatamente utilizando sistemas de aspiración, no cepillos que dispersan el polvo.
- Elimínese de forma segura - elimínese de acuerdo con la normativa medioambiental local y no a través de desagües o vertederos.
- Proporcionar formación: formar a los trabajadores sobre los peligros del polvo, los procedimientos de manipulación adecuados y las medidas de emergencia.
- Realice un seguimiento: controle los niveles de polvo y la exposición de los trabajadores para asegurarse de que están dentro de los límites de exposición permitidos.
preguntas frecuentes
¿Cuáles son los principales métodos de producción de polvos metálicos?
Los principales métodos son:
- Fresado mecánico
- Atomización
- Reducción química
- Electrólisis
- Técnicas de evaporación
¿Para qué se utilizan los polvos metálicos?
Los polvos metálicos se utilizan para fabricar piezas acabadas mediante pulvimetalurgia, producir componentes de fabricación aditiva, fabricar dispositivos electrónicos, aplicar revestimientos conductores/resistentes, fabricar productos químicos y catalizadores y crear productos pirotécnicos.
¿Cómo se mide el tamaño de las partículas de polvo metálico?
El tamaño de las partículas se mide en micrómetros (micras) mediante técnicas de microscopía, difracción láser, sedimentación, tamizado y dispersión dinámica de la luz. Los polvos ultrafinos tienen tamaños inferiores a 10 micras.
¿Qué precauciones deben tomarse al manipular polvos metálicos?
Las precauciones incluyen el uso de equipo de protección, evitar fuentes de ignición, prevenir explosiones de polvo, almacenamiento inerte, ventilación adecuada, eliminación segura, formación de los trabajadores y control de la exposición.
¿Qué propiedades de los polvos metálicos afectan a su rendimiento?
Las propiedades más importantes son el tamaño de las partículas, la forma, la distribución del tamaño, la densidad, la velocidad de flujo, la compresibilidad, la capacidad de sinterización, la pureza y la composición. Estas propiedades influyen en el procesamiento, la manipulación y la calidad del producto final.
¿Cómo se almacenan los polvos metálicos de forma segura?
Los polvos metálicos suelen almacenarse en contenedores sellados bajo gases inertes como el argón o el nitrógeno para evitar reacciones de oxidación. Así se mantiene la pureza del polvo y se evitan cambios en sus características.
¿Qué es la pulvimetalurgia?
La pulvimetalurgia es un proceso de fabricación que utiliza polvos metálicos para producir componentes acabados o semiacabados. Consiste en compactar los polvos y sinterizarlos para producir piezas metálicas precisas de formas complejas.
¿Qué metales se utilizan habitualmente para producir polvos?
Se suelen utilizar hierro, aluminio, cobre, níquel, estaño, tungsteno, plata y oro. El metal se elige en función de las propiedades del material y la aplicación.
¿Qué es el proceso de atomización para la producción de polvo metálico?
En la atomización, el metal fundido es forzado a través de una boquilla, rompiéndose en finas gotitas que se solidifican en partículas de polvo. Permite controlar el tamaño y la forma de las partículas y se utiliza para producir polvos esféricos.
¿Cuáles son los peligros asociados a los polvos metálicos?
Los polvos metálicos pueden combustionar cuando se exponen al calor o a las chispas. Forman mezclas explosivas de polvo y aire. Los humos metálicos y los polvos finos también son tóxicos por inhalación. Se requiere equipo de protección y procedimientos de manipulación adecuados.