Metales atomizados se refiere a los polvos metálicos que se han reducido a partículas microscópicas mediante atomización. Este proceso consiste en convertir el metal líquido a granel en una pulverización de gotitas diminutas, que se solidifican en finos polvos esféricos. Los metales atomizados desempeñan un papel importante en diversas industrias debido a sus propiedades y capacidades únicas.
Aplicaciones de los metales atomizados
Los polvos metálicos atomizados ofrecen varias ventajas clave frente a las formas metálicas convencionales:
- Alta superficie - Su pequeño tamaño y forma esférica confieren a los polvos atomizados una relación muy alta entre superficie y volumen, lo que permite un contacto y una interacción superiores.
- Fácil de compactar - Los polvos pueden prensarse en una amplia gama de formas con alta densidad verde, lo que permite una fabricación eficiente.
- Rendimiento mejorado: las piezas fabricadas con polvos atomizados suelen presentar mejores propiedades mecánicas.
- Aleaciones personalizadas: la atomización de aleaciones personalizadas permite un control preciso de la química.
Estas características hacen que los metales atomizados sean adecuados para la fabricación de piezas mediante pulvimetalurgia, pulverización térmica, moldeo por inyección de metales y fabricación aditiva. Algunas de las principales aplicaciones son:
Pulvimetalurgia
La pulvimetalurgia utiliza polvo metálico comprimido y sinterizado para producir componentes de precisión con forma de red. Las finas partículas permiten un excelente flujo y compactación cuando se prensan en una matriz. Las piezas pueden fabricarse con tolerancias dimensionales ajustadas sin necesidad de mecanizado, lo que minimiza el desperdicio de material. Entre las piezas pulvimetalúrgicas más comunes se encuentran los engranajes de transmisión de automóviles, las bielas y los cojinetes autolubricantes.
Pulverización térmica
En la pulverización térmica, los polvos atomizados se introducen a través de una pistola calentada para producir un depósito de pulverización fundido o semimolido sobre una superficie. Esto permite la aplicación rápida de revestimientos metálicos gruesos y protectores sobre las piezas. La pulverización térmica con metales atomizados se utiliza para revestir cilindros de motores, ejes hidráulicos, puentes y otros componentes industriales que necesitan resistencia al desgaste/corrosión o aislamiento.
Moldeo por inyección de metales
El moldeo por inyección de metales (MIM) combina la pulvimetalurgia y el moldeo por inyección de plásticos para fabricar piezas pequeñas y complejas. Los polvos atomizados se mezclan con un aglutinante polimérico, se moldean por inyección y luego se sinterizan. El MIM puede producir componentes intrincados con forma de red, como engranajes o implantes médicos, en grandes volúmenes y con un acabado mínimo.
Fabricación aditiva
El sinterizado selectivo por láser, el sinterizado directo de metal por láser y la inyección de aglutinante se basan en polvos metálicos atomizados para imprimir piezas en 3D capa por capa. Se pueden construir de forma aditiva estructuras ligeras y porosas con geometrías complejas. Los metales atomizados son ideales para producir prototipos únicos, coronas dentales personalizadas, componentes aeroespaciales e implantes biomédicos mediante fabricación aditiva.
Métodos de producción de polvos metálicos atomizados
Existen varias técnicas para producir polvos metálicos atomizados a escala industrial:
Atomización de gases
La atomización con gas es el método más común. El metal se funde y se vierte en una artesa con una boquilla cerámica en el fondo. En la boquilla se inyecta gas inerte a alta presión (normalmente nitrógeno o argón), que rompe la corriente fundida en un chorro de finas gotitas. Las gotitas se solidifican rápidamente en polvos esféricos a medida que caen y se enfrían. Diferentes presiones de gas y diseños de boquilla producen polvos de 10 a 150 micras de tamaño.
Atomización del agua
En la atomización con agua, la corriente de metal fundido se desintegra mediante chorros de agua a alta presión. El agua apaga las gotas rápidamente, lo que produce polvos de forma irregular. La atomización con agua puede producir un mayor rendimiento de partículas más finas de menos de 10 micras en comparación con la atomización con gas. Sin embargo, los polvos pueden contaminarse con el oxígeno del agua.
Atomización centrífuga
Aquí, el metal fundido se introduce en un disco giratorio o en varias copas giratorias. La fuerza centrífuga desprende ligamentos de metal líquido que se rompen en gotas y se solidifican en polvo. Este método permite mayores índices de producción que la atomización con gas, pero produce partículas menos esféricas.
Atomización ultrasónica de gas
La aplicación de vibraciones ultrasónicas a la corriente de metal fundido en un atomizador de gas produce una pulverización de gotas más fina y una distribución del tamaño de las partículas más pequeña. Las ondas sonoras mejoran la desintegración y dispersión del metal. Sin embargo, la ampliación a la producción industrial es difícil.
Atomización de gas por inducción de electrodos
Se hace pasar una corriente eléctrica directamente a través de la corriente de metal fundido mediante una bobina inductiva justo antes de la atomización del gas. Este calentamiento por inducción hierve y agita el metal, creando polvos de tamaño más uniforme y esféricos. Permite controlar el tamaño y la morfología de las partículas.
La técnica de atomización adecuada se elige en función de la aleación, las características deseadas del polvo, los requisitos de pureza y el volumen de producción.
Propiedades de los polvos metálicos atomizados
La atomización produce polvos con una composición y unos atributos físicos únicos que determinan su rendimiento. Entre las características clave se incluyen:
- Tamaño de las partículas - Generalmente de 10 a 150 μm. Los tamaños más pequeños tienen mayor superficie. Los tamaños más grandes se compactan mejor y se deforman menos durante la compactación.
- Forma de las partículas - La atomización con gas crea partículas muy esféricas, ideales para el prensado de polvo. Las partículas atomizadas con agua son más irregulares.
- Distribución granulométrica - Las distribuciones más estrechas permiten la máxima densidad de polvo durante el empaquetado con pocos huecos.
- Composición - La química y la microestructura son controlables. El enfriamiento rápido suele crear fases metaestables no equilibradas.
- Pureza - La atomización con gas inerte evita la oxidación. Las trazas de oxígeno o nitrógeno pueden fragilizar las partículas.
- Fluidez - La morfología esférica proporciona un excelente comportamiento de flujo. Fundamental para un llenado uniforme de las cavidades de la matriz durante la compactación.
- Densidad aparente - Las densidades más altas mejoran las características de prensado y el comportamiento de sinterización. Oscila entre 40-65% densidad teórica.
- Densidad del grifo - Tras la agitación mecánica, los polvos pueden alcanzar una densidad teórica >65%. Indica compresibilidad.
- Ratio de Hausner - Las proporciones más bajas (~1,25) muestran facilidad de flujo del polvo durante el procesamiento. Relaciones altas (~1,4) sugieren cohesión y poca fluidez.
Estas calidades de polvo se adaptan para satisfacer los requisitos de la aplicación específica mediante un cuidadoso control del proceso de atomización.
Ventajas del uso de polvos metálicos atomizados
Los metales atomizados ofrecen varias ventajas importantes sobre otros materiales de partida en la fabricación:
- Producir piezas duraderas y uniformes de forma eficaz
- Genera menos chatarra que los procesos de mecanizado de metales
- Permite geometrías de componentes pequeñas y complejas
- Proporcionar composiciones de aleación no fáciles de producir por metalurgia de lingotes.
- Ofrecer flexibilidad mediante métodos de fabricación aditiva
- Permiten microestructuras ultrafinas para mejorar las propiedades
- Se obtienen microestructuras más uniformes en toda la pieza
- Proporcionan un excelente acabado superficial, densidad, tolerancia y repetibilidad
- Permiten fabricar formas casi netas, minimizando el mecanizado
- Proporcionar nuevas fases metálicas de no equilibrio
Las características únicas de los metales atomizados los convierten en la materia prima ideal para aplicaciones críticas en las industrias de automoción, aeroespacial, electrónica, médica y de defensa. Su precisión y rendimiento a menudo no pueden conseguirse mediante las rutas convencionales de procesamiento de metales.
Avances en la producción de metal atomizado
Los recientes avances en la tecnología de atomización están ampliando las capacidades y usos de los polvos metálicos:
- Los sopletes de plasma de microondas pueden sobrecalentar el metal por encima de su punto de ebullición, creando nanopartículas ultrafinas de menos de 100 nm durante la atomización.
- La atomización y el enfriamiento controlados permiten producir polvos metálicos amorfos con propiedades superiores.
- La atomización con múltiples boquillas de gas genera nuevas formas de partículas, como esferas huecas o copos.
- El ajuste dinámico del flujo de gas modifica sobre la marcha la distribución del tamaño de las partículas y su morfología.
- La atomización por aceleración a velocidad ultraalta produce polvos compuestos nanocristalinos.
- Los sistemas integrados de atomización-sinterización reducen los costes y mejoran la calidad.
- El recubrimiento suave de partículas en vuelo mediante deposición de vapor está permitiendo un mejor flujo y empaquetado del polvo.
- La modelización avanzada de la formación de gotas y la solidificación está optimizando el proceso de atomización.
- Las boquillas especializadas permiten la atomización de aleaciones altamente reactivas como el aluminio y el magnesio con una oxidación mínima.
La investigación y el progreso continuos en la producción de polvo metálico atomizado abrirán nuevas aplicaciones y capacidades.
Principales productores de polvo metálico atomizado
La mayoría de los polvos atomizados son producidos por un pequeño número de grandes proveedores de polvo metálico:
- Hoeganaes Corporation - Parte del Grupo GKN, mayor fabricante de polvo metálico, amplia gama de polvos atomizados.
- Sandvik Osprey - Polvos líderes para fabricación aditiva, especialidad en superaleaciones de níquel.
- Praxair Surface Technologies - Importante proveedor de la industria de la pulverización térmica, ofrece aleaciones personalizadas.
- Hoganas - Principales polvos ferrosos para piezas PM, especialista en aceros aleados por difusión.
- Rio Tinto Metal Powders - Importante productor de titanio y aleaciones especiales en polvo.
- AMETEK Specialty Metal Products - Polvos atomizados de acero y cobre de gran volumen.
- CNPC Powder Group - Importante productor de aluminio y aleaciones en polvo.
- Mitsui Mining & Smelting - Proveedor japonés de polvo de cobre, hierro y estaño.
- Grupo Bühler - Líder mundial en equipos de fundición a presión y atomización.
- Makin Metal Powders (UK) Ltd - Importante fabricante de polvos de superaleaciones de Al, Cr, Ni.
La mayoría de estas empresas pueden adaptar el tamaño, la forma y la composición química de las partículas para satisfacer necesidades específicas.
Retos de los polvos metálicos atomizados
Aunque poseen claras ventajas, los metales atomizados también presentan algunos retos inherentes:
- Costes de producción elevados - Requieren materias primas caras, bienes de equipo y gases inertes de gran pureza.
- Tamaños limitados disponibles - La atomización con gas funciona mejor para polvos de 25-150 μm. Se requieren otros métodos para partículas ultrafinas o gruesas.
- Captación de oxígeno - La atomización y la manipulación pueden introducir trazas de contaminación por oxígeno, especialmente en aleaciones reactivas.
- Densidades de colada más bajas - Las formas irregulares del polvo disminuyen la densidad máxima tras la compactación.
- Peligros del polvo - Los polvos finos plantean riesgos de explosión e inhalación que requieren una manipulación especial.
- Pureza de la materia prima: las impurezas e inclusiones pueden pasar del metal líquido y afectar a las propiedades finales.
- Aglomeración - Los satélites de partículas y los aglomerados reducen la fluidez del polvo.
- Porosidad de los compactos: los envases más densos aún contienen poros microscópicos que pueden atrapar la contaminación.
- Tensión residual - El enfriamiento rápido y la contracción durante la solidificación provocan tensiones en las partículas.
- Oxidación de los compactos - La sinterización debe realizarse al vacío o en atmósfera inerte para evitar la oxidación.
- Cambio dimensional - La contracción del 10-20% durante la sinterización en estado sólido puede provocar alabeos y distorsiones.
Aunque estas dificultades pueden resolverse con métodos adecuados de producción de polvo, manipulación y procesamiento de piezas, siguen siendo un impedimento en determinadas aplicaciones pulvimetalúrgicas.
Perspectivas de futuro de los polvos metálicos atomizados
Las propiedades únicas de los polvos metálicos atomizados los hacen idóneos para fabricar componentes de alto rendimiento en prácticamente todos los sectores. Con la investigación y el perfeccionamiento continuos de los procesos, los metales atomizados desempeñarán un papel cada vez más importante en la fabricación de piezas metálicas más ligeras, resistentes y complejas.
Tendencias clave que determinarán el futuro de los polvos metálicos atomizados:
- Creciente adopción de la impresión 3D a medida que disminuyen los costes.
- Control más estricto del tamaño de las partículas y modificación de las partículas para mejorar el rendimiento del polvo.
- Desarrollo de nuevas aleaciones de alta resistencia exclusivamente mediante pulvimetalurgia.
- Mayor uso en componentes biomédicos como implantes y prótesis.
- Desarrollo continuo de aleaciones para obtener microestructuras y propiedades personalizadas.
- Automatización y atomización in situ para reducir los costes de los usuarios de AM metálica.
- Atomización de nanopartículas para obtener un grano extremadamente fino y propiedades mejoradas.
- Mayor atención al reciclado de polvos metálicos.
- La impresión multimetal y los compuestos amplían las aleaciones utilizables.
- Recubrimientos superficiales especiales para mejorar las propiedades del polvo y la sinterización.
- Sistemas de alta pureza que minimizan la contaminación gaseosa.
Los polvos metálicos atomizados permitirán obtener componentes metálicos más resistentes, ligeros, de mayor rendimiento y más complejos. Los avances metalúrgicos y de procesamiento en curso abrirán nuevas oportunidades en todas las industrias manufactureras.
Preguntas más frecuentes
¿Cuáles son los metales que más se atomizan?
Los metales más comúnmente atomizados son:
- Aleaciones de hierro y acero como el acero inoxidable
- Cobre y aleaciones de cobre como el latón
- Aleaciones de aluminio, incluido el aluminio-silicio
- Superaleaciones a base de níquel y aleaciones de cobalto
- Titanio y aleaciones de titanio
¿Cuál es el tamaño típico de los polvos atomizados?
Los polvos atomizados con gas oscilan entre unas 10 micras y 150 micras de diámetro. Los polvos atomizados con agua pueden alcanzar hasta 3 micras. Los procesos especiales pueden generar polvos de nanopartículas de menos de 1 micra.
¿Qué industrias utilizan polvos metálicos atomizados?
Entre las industrias clave que utilizan polvos metálicos atomizados se encuentran la aeroespacial, la automoción, la electrónica, la biomédica, la defensa y la fabricación aditiva. Los polvos permiten fabricar piezas metálicas ligeras, resistentes y complejas.
¿Cuáles son las principales ventajas de los polvos atomizados con gas?
Los polvos atomizados con gas tienen una morfología esférica que proporciona un buen flujo y compresión durante la compactación de la matriz. También presentan una baja contaminación por oxígeno.
¿Cómo se manipulan los polvos metálicos de forma segura?
Los polvos metálicos presentan riesgo de explosión, por lo que deben tomarse precauciones durante su manipulación. Los trabajadores utilizan respiradores para evitar la inhalación. Los polvos se mantienen cubiertos y sellados para evitar la acumulación de polvo.
¿Por qué se utilizan gases inertes como el nitrógeno para atomizar metales?
Los gases inertes impiden la reacción entre el metal fundido y el aire para evitar la oxidación. El nitrógeno es el más utilizado debido a su menor coste que el argón.
¿Qué son el moldeo por inyección de metal y la impresión 3D por chorro de aglutinante metálico?
Ambos procesos consisten en formar primero piezas "verdes" a partir de polvo metálico mezclado con un aglutinante orgánico. A continuación se retira el aglutinante y los polvos se sinterizan en una pieza metálica final densa.
¿Cómo se reciclan los polvos metálicos?
Los polvos metálicos no utilizados pueden mezclarse con nuevos polvos o reatomizarse directamente. A menudo, las piezas y los componentes impresos en 3D se trituran y reatomizan para convertirlos en materia prima en polvo.