Atomización de metales es un proceso en el que el metal se convierte de una forma sólida a granel en polvo fino. El polvo metálico fino producido mediante atomización tiene propiedades únicas y desempeña un papel importante en diversas industrias y aplicaciones.
¿Por qué atomizar el metal?
La atomización permite producir polvos metálicos con partículas de tamaño y características precisas. Algunas ventajas clave de los polvos metálicos atomizados son:
- Mayor reactividad - Debido a la elevada relación superficie/volumen, los polvos atomizados son más reactivos químicamente, lo que permite mejorar su rendimiento en aplicaciones como los catalizadores.
- Propiedades mecánicas mejoradas - El polvo atomizado puede utilizarse para fabricar piezas con propiedades mecánicas superiores a las del metal fundido o forjado.
- Mejor mezcla - Los polvos atomizados permiten una mezcla fina y homogénea de diferentes metales y elementos de aleación. Esto permite obtener aleaciones y microestructuras únicas.
- Mejora de la fluidez - Los polvos atomizados esféricos tienen excelentes características de fluidez, lo que ayuda a la manipulación automatizada, el transporte y la dosificación de precisión.
- Mayor densidad - Las piezas fabricadas con polvos atomizados pueden alcanzar una densidad cercana a la total. Esto permite fabricar piezas más ligeras para aplicaciones sensibles al peso.
- Fabricación en red - La atomización seguida de la consolidación del polvo permite la fabricación con forma de red. Esto reduce los costes de mecanizado y el desperdicio de material.
- Composiciones puras - Los polvos metálicos de alta pureza pueden producirse mediante atomización al vacío, donde los elementos reactivos como el aluminio están protegidos de la oxidación.
En resumen, la atomización convierte los metales en polvos extremadamente finos con composiciones, tamaños y morfologías personalizados. Esto abre todo un abanico de técnicas de fabricación y aplicaciones en los sectores automovilístico, aeroespacial, biomédico, químico, de defensa y otras industrias clave.
Métodos de atomización de metales
Existen dos técnicas muy utilizadas para atomizar el metal en polvos finos:
Atomización de gas
Este método utiliza aire comprimido o un gas inerte como el nitrógeno o el argón para convertir el metal en polvo. El proceso implica:
- Calentar el metal hasta unos 30-50% por encima del punto de fusión. Ejemplos comunes son el níquel, el cobalto, el aluminio, los aceros, el titanio, las superaleaciones, etc.
- Forzar la corriente de metal fundido a través de una boquilla a altas presiones de 5-20 bares.
- Romper la corriente de metal en finas gotas mediante chorros de gas comprimido a alta velocidad.
- Solidificar las gotitas en polvo extrayendo rápidamente el calor a medida que caen por la cámara de atomización.
- Recogida del polvo atomizado en recipientes situados en la parte inferior. La distribución del tamaño de las partículas se controla mediante el caudal de gas.
Los polvos atomizados con gas tienen forma esférica y son populares para el moldeo por inyección de metales (MIM), los recubrimientos por pulverización térmica y las piezas pulvimetalúrgicas.
Atomización del agua
En este método, se utilizan chorros de agua a alta presión para atomizar las aleaciones metálicas fundidas y convertirlas en polvos finos. Los pasos implican:
- Calentamiento por inducción de la carga metálica por encima del punto de fusión. Las aleaciones de hierro, níquel, cobalto y cobre suelen atomizarse.
- Vertido del metal líquido en la cámara de atomización, donde múltiples chorros de agua golpean el chorro de metal a presiones superiores a 150 bares.
- Los chorros de agua rompen el metal fundido en finas gotitas que se solidifican y se convierten en polvo.
- Recogida del polvo una vez escurrido el agua. Se forman polvos irregulares, más angulosos.
Los polvos atomizados con agua con mayor captación de oxígeno se utilizan en piezas sinterizadas, materiales de fricción y electrodos de soldadura.
La atomización centrífuga y la atomización de gas por ultrasonidos son otros métodos utilizados para aplicaciones especializadas.
Parámetros clave del proceso
Algunos parámetros importantes que influyen en las propiedades y la calidad de los polvos atomizados son:
- Composición metálica - Los elementos de aleación, las impurezas y la volatilidad de los componentes afectan a la formación de partículas.
- Temperatura de recalentamiento - Un mayor recalentamiento del metal favorece una atomización más fina. Pero las temperaturas demasiado altas pueden provocar la vaporización de los elementos de aleación.
- Diseño de la boquilla - El diámetro, el número y la geometría de las boquillas influyen en el caudal de metal fundido, el tamaño de las gotas y la velocidad de enfriamiento.
- Líquido atomizador - El caudal de gas o agua determina el grado de atomización y el tamaño de las partículas de polvo.
- Distancia de vuelo de las gotas - Un mayor tiempo de vuelo de las gotas en la cámara de atomización mejora la solidificación y la esfericidad.
- Tasa de enfriamiento - Las velocidades de solidificación rápidas (~104-106 K/s) producen microestructuras metaestables más finas en el polvo.
La optimización de estos parámetros permite adaptar el proceso de atomización para obtener polvos con el tamaño de grano, la distribución granulométrica, la forma y la microestructura deseados.
Aplicaciones clave
Algunas de las principales aplicaciones que utilizan polvos metálicos atomizados son:
Moldeo por inyección de metales (MIM)
El MIM es un proceso pulvimetalúrgico para fabricar piezas pequeñas y complejas en grandes volúmenes. La materia prima, fabricada con polvos ultrafinos (<10 μm) atomizados con gas o agua, se moldea por inyección y luego se sinteriza. Se fabrican componentes de alta resistencia mecánica con una excelente precisión dimensional para aplicaciones de automoción y productos de consumo.
Fabricación aditiva
También conocida como impresión 3D, los polvos atomizados especialmente diseñados se utilizan en el sinterizado selectivo por láser, el sinterizado directo de metal por láser y otras tecnologías aditivas para fabricar directamente piezas acabadas a partir de modelos CAD. Con estos métodos pueden fabricarse piezas de forma casi neta con aleaciones y microestructuras personalizadas.
Revestimientos por pulverización térmica
En esta técnica, los polvos atomizados se calientan hasta fundirse o casi fundirse y se pulverizan sobre una superficie a gran velocidad para formar un revestimiento protector. Mediante la pulverización térmica se aplican aleaciones de refuerzo y revestimientos resistentes al desgaste en álabes de turbinas, componentes de motores, implantes biomédicos, etc.
Materiales compuestos de matriz metálica
Los polvos atomizados pueden mezclarse con cerámicas de refuerzo como el carburo de silicio para sintetizar compuestos avanzados de matriz metálica. Así se obtienen materiales con una relación resistencia-peso muy elevada, aptos para aplicaciones aeroespaciales.
Consumibles de soldadura
Los electrodos de soldadura e hilos de aportación especiales se fabrican con polvos irregulares atomizados con agua. Las microestructuras de solidificación rápida proporcionan una excelente soldabilidad.
Piezas estructurales P/M
Los polvos de hierro y acero atomizados con agua se compactan y sinterizan para producir cojinetes autolubricantes y otras piezas estructurales con buena tolerancia dimensional y propiedades mecánicas.
Otras aplicaciones
Los hidruros metálicos finos, los imanes, los catalizadores, los agentes de administración de fármacos y las composiciones pirotécnicas se sintetizan utilizando polvos atomizados altamente reactivos. También se utilizan en materias primas MIM, pastas de soldadura fuerte, contactos eléctricos, etc.
En resumen, los polvos atomizados responden a una amplia gama de técnicas de fabricación avanzadas y aplicaciones de alto rendimiento en sectores clave.
Beneficios económicos y medioambientales
Algunos de los principales beneficios económicos y medioambientales de la atomización de metales son:
- Mecanizado reducido - La fabricación de formas casi netas mediante MIM y AM reduce los costes de materias primas y mecanizado.
- Reutilización de chatarra - La atomización se adapta a la chatarra y a lotes de pequeño tamaño inadecuados para la fundición.
- Eficiencia energética - Las piezas fabricadas con polvo atomizado requieren menos energía de fusión. El mínimo desperdicio de material también mejora la sostenibilidad.
- Producción justo a tiempo - Los polvos atomizados pueden producirse rápidamente bajo demanda, lo que permite una producción y unos inventarios flexibles.
- Rendimiento superior - Las propiedades mecánicas mejoradas de los componentes de polvo atomizado reducen el desgaste, los fallos y las sustituciones de piezas.
- Menos pasos de procesamiento - La combinación de fusión, aleación y atomización en una sola cadena de proceso reduce el consumo de energía y las emisiones de carbono.
- Inventarios más bajos - La atomización in situ permite reducir los inventarios de polvo Just-In-Time, evitando costes de almacenamiento y logística.
Por lo tanto, la optimización de los parámetros de atomización del metal proporciona importantes ventajas económicas, al tiempo que minimiza el desperdicio de material, el consumo de energía y la huella de carbono.
Perspectivas de futuro
Varias tendencias apuntan hacia una mayor adopción de la tecnología de atomización:
- Las nuevas aleaciones con propiedades y prestaciones mejoradas impulsarán la necesidad de polvos atomizados. Se están investigando aleaciones de titanio, compuestos de aluminio, aleaciones de alta entropía, aleaciones amorfas, etc.
- La fabricación aditiva de metales mantendrá un fuerte crecimiento de dos dígitos a medida que los nuevos componentes impresos en 3D obtengan la certificación de vuelo y la aprobación para uso biomédico.
- Aplicaciones como los revestimientos por pulverización térmica y los compuestos de matriz metálica se beneficiarán de los polvos especiales atomizados reactivos y multicomponentes.
- La fabricación híbrida que combina aditivos, pulverización térmica, soldadura y mecanizado creará demanda de polvos atomizados a medida.
- La mayor atención a la sostenibilidad ampliará el uso de chatarra reciclada y de sistemas de atomización a microescala bajo demanda.
- La modelización avanzada de la física de la atomización y de las características del polvo mejorará la eficacia del proceso y la calidad del polvo.
- Las microestructuras nanocristalinas y ultrafinas obtenibles mediante solidificación rápida permitirán la próxima generación de polvos atomizados de alto rendimiento.
En resumen, la atomización de metales es una tecnología versátil cuya importancia seguirá creciendo impulsada por los nuevos materiales, las técnicas de fabricación y las tendencias de sostenibilidad. La investigación y el desarrollo centrados en la calidad del polvo atomizado, el modelado y la simulación ayudarán a expandir la tecnología hacia nuevas aplicaciones e industrias.
Preguntas más frecuentes
¿Cuál es el tamaño típico de las partículas de polvo atomizado?
Los polvos atomizados pueden variar desde tamaños micrométricos de 1-100 μm para el moldeo por inyección de metales hasta tamaños grandes de 500-1000 μm para revestimientos de pulverización térmica. La atomización con gas produce normalmente polvos más finos por debajo de 100 μm, mientras que la atomización con agua da fracciones de polvo más gruesas.
¿Hasta qué punto son esféricos los polvos atomizados con gas?
Los polvos atomizados con gas tienen una alta esfericidad, de alrededor de 0,9 en una escala de 0 a 1. Esta forma esférica proporciona buenas propiedades de empaquetamiento y flujo. En cambio, los polvos atomizados con agua tienen formas más irregulares.
¿Qué papel desempeña la pureza del gas inerte en la atomización?
En la atomización con gas se utilizan gases inertes de alta pureza, como el argón, para evitar la contaminación y la oxidación del polvo. Las trazas de oxígeno pueden provocar la degradación del polvo durante la fabricación aditiva.
¿Cómo se determina la tasa de producción de polvo en la atomización?
La velocidad de producción depende de factores como el tamaño de la boquilla, el caudal de metal, la presión del gas y el número de boquillas. Los atomizadores de gas de boquillas múltiples pueden producir hasta 1.000 kg/hora de polvos finos de acero inoxidable para la industria MIM.
¿Cuál es la ventaja de la atomización al vacío?
La atomización en vacío consiste en crear una atmósfera inerte de baja presión en la cámara. Esto evita la oxidación de aleaciones reactivas como el titanio y el aluminio, lo que permite producir polvos puros de alta reactividad.
¿Cuál es el coste típico de los polvos atomizados?
El coste del polvo atomizado varía mucho, desde $5-10 por kg para aceros comunes hasta $100-500 por kg para calidades muy aleadas para aplicaciones aeroespaciales. Los polvos de metales exóticos pueden costar miles de dólares por kg.
¿Cuál es el efecto de la velocidad de enfriamiento en la microestructura del polvo?
Las velocidades de enfriamiento superiores a 104 K/s, alcanzables en la atomización, producen un tamaño de grano más fino, una solubilidad sólida ampliada y fases metaestables en los polvos mediante una solidificación rápida. Esto proporciona unas propiedades mecánicas superiores.
¿Qué causa la degradación del polvo durante la fabricación aditiva?
Factores como la sinterización parcial, la oxidación y la vaporización pueden degradar el polvo atomizado a lo largo de ciclos térmicos repetidos en AM. Esto hace necesario reciclar y reponer el polvo fresco para mantener la calidad de la pieza.
¿Cómo se elimina el polvo del gas inerte tras la atomización?
Los separadores ciclónicos recuperan más de 99% del polvo de la corriente de gas. También pueden utilizarse filtros de mangas. El gas limpio se recircula de nuevo al proceso en un sistema de circuito cerrado.
¿Cuáles son los distintos métodos utilizados para tamizar polvos atomizados?
El tamizado vibratorio y el tamizado sónico clasifican los polvos en fracciones de tamaño estrecho. También se utilizan clasificadores por aire y microflujos. El tamizado mejora la densidad de empaquetamiento y las propiedades de flujo de los polvos.