Atomización de metales es un proceso utilizado para producir metales en polvo fino para diversas aplicaciones industriales. Esta completa guía abarca todo lo que necesita saber sobre la tecnología de atomización de metales.
Visión general de la atomización de metales
La atomización de metales consiste en romper una corriente de metal fundido en gotitas muy finas mediante un chorro de gas a alta velocidad. Las gotitas se solidifican rápidamente en partículas de polvo de un tamaño comprendido entre 5 y 150 micras.
Los principales aspectos del proceso de atomización incluyen:
- Fundir metal en un crisol
- Vertido del metal fundido en una artesa
- Creación de una fina corriente de metal fundido
- Exposición de la corriente a chorros de gas a alta presión
- Romper el metal en finas gotas
- Solidificación de las gotitas en partículas de polvo
- Recoger el polvo
La atomización permite producir polvos metálicos con un control preciso del tamaño, la forma, la composición química y la microestructura de las partículas. Los polvos pueden utilizarse en aplicaciones como la fabricación aditiva de metales, los recubrimientos por pulverización térmica y el moldeo por inyección de metales.
Principales ventajas de la atomización de metales
| Beneficio | Descripción |
|---|---|
| Excelentes características del polvo | La atomización produce polvo de alta calidad con morfología esférica y tamaño de grano fino |
| Amplia gama de aleaciones | La mayoría de los metales y aleaciones pueden atomizarse, incluidos aceros, aluminio, cobre, níquel, titanio, etc. |
| Control de las propiedades del polvo | Los parámetros del proceso de atomización pueden modificarse para adaptar el tamaño, la forma, la oxidación y la microestructura del polvo. |
| Alto rendimiento del polvo | Más de 90% del metal fundido se convierte en polvo utilizable |
| Rentabilidad | Menor coste que otros métodos de producción de polvo |
| Escalabilidad | La capacidad de producción de atomización puede ampliarse o reducirse fácilmente |
Tipos de sistemas de atomización de metales
Existen dos tipos principales de sistemas de atomización: atomización con gas y atomización con agua. La elección depende de factores como las propiedades de la aleación, las especificaciones del polvo y la capacidad de producción.
Atomización de gases
En la atomización con gas, la corriente de metal fundido se desintegra mediante chorros a alta velocidad de un gas inerte como el nitrógeno o el argón.
Características:
- Produce polvos altamente esféricos y limpios, ideales para aplicaciones AM
- Menor captación de oxígeno en comparación con la atomización con agua
- Puede alojar aleaciones reactivas como el titanio y el aluminio
- Polvos más finos de hasta 5 micras
- Mayores caudales de gas producen polvos más finos
- Las velocidades de enfriamiento del gas son menores, lo que da lugar a tamaños de grano más gruesos
Limitaciones:
- Los costes de capital y explotación son más elevados
- Sistemas más complejos con infraestructura de manipulación de gases
- Menor producción de polvo
Atomización del agua
En la atomización con agua, la corriente de metal fundido se rompe mediante chorros de agua a alta presión.
Características:
- Técnica de atomización sencilla y de bajo coste
- Altos índices de producción de polvo de más de 1.000 kg/hora
- Las gotas de mayor tamaño producen polvo de más de 150 micras
- El enfriamiento rápido en agua da lugar a tamaños de grano muy finos
- Mayor captación de oxígeno en comparación con la atomización con gas
- Formas de polvo irregulares y partículas satélite
- No apto para aleaciones reactivas como el titanio
Limitaciones:
- Morfología del polvo más pobre y mayor contenido de oxígeno
- El polvo más grueso lo hace inadecuado para la AM
- Tratamiento del agua necesario para los efluentes
- Limitado a aleaciones de bajo punto de fusión
Diseños de atomizadores
El atomizador es el componente clave que crea los chorros de gas o agua para desintegrar la corriente de metal fundido durante la atomización. Se utilizan distintos diseños de atomizador:
Boquilla Simplex
- Boquilla de chorro recto simple
- Atomización por gas de flujo en remolino
- Diseño económico
- Polvos de mayor tamaño
Boquilla múltiple
- Varias boquillas dispuestas en configuración circular
- Mejora de la desintegración de la corriente metálica
- Tamaños de polvo más finos y uniformes
- Mayores índices de producción
Boquilla de acoplamiento corto
- Las boquillas se colocan muy cerca de la corriente de metal fundido
- Impacto intenso de chorro de gas para polvos muy finos
- Permite la atomización de aleaciones reactivas
- Menores índices de producción
Electrodo giratorio
- Electrodo de hilo metálico giratorio
- Las fuerzas centrífugas crean delgados ligamentos de metal fundido
- Rodeado de chorros de gas o agua
- Polvos muy finos y uniformes
- Alta complejidad y mantenimiento
Parámetros del proceso de atomización de metales
Las propiedades y la calidad de los polvos metálicos atomizados pueden controlarse optimizando los parámetros del proceso:
Caudales de gas
- El aumento de la velocidad del flujo de gas da lugar a tamaños de polvo más finos
- También mejora la esfericidad del polvo y reduce las partículas satélite
- Pero los caudales muy elevados reducen el rendimiento del polvo
Caudales de corrientes metálicas
- Un mayor caudal de metal aumenta la productividad
- Pero puede dar lugar a polvos más gruesos y formas irregulares
- Optimizar el caudal de metal en función de la capacidad del atomizador
Diseño de la boquilla
- El tamaño de la garganta de la boquilla y el número de boquillas determinan las presiones del chorro de gas
- Los tamaños de boquilla más pequeños proporcionan mayores velocidades de gas para polvos más finos
Recalentamiento de fusión
- Las temperaturas más altas del metal fundido reducen la viscosidad
- Permite la desintegración en fracciones de polvo más finas
- Pero un recalentamiento excesivo aumenta la oxidación del material
Filtración de metales
- Los filtros eliminan las inclusiones del metal fundido
- Reduce defectos como satélites e irregularidades
- Mejora la fluidez del polvo y la densidad de empaquetado
Atmósfera de atomización
- El vacío o la atmósfera de gas inerte reducen la captación de oxígeno
- Minimiza la oxidación del polvo, especialmente en aleaciones reactivas
Tasa de enfriamiento
- Velocidades de enfriamiento más rápidas gracias a tamaños de grano más finos en el polvo
- El enfriamiento en agua produce microestructuras muy finas
- El enfriamiento por gas es más lento, lo que da lugar a granos más gruesos
Aplicaciones de la atomización de metales
Los polvos metálicos atomizados se utilizan en una amplia gama de procesos de fabricación industrial:
Fabricación aditiva de metales
- Los polvos esféricos con buena fluidez son ideales para la AM
- Permite fabricar piezas metálicas complejas con forma de red
- Procesos de lecho de polvo y deposición de energía dirigida utilizados
Moldeo por inyección de metales (MIM)
- Polvos finos de acero inoxidable y aluminio para MIM
- Componentes muy complejos y con forma de red fabricados mediante pulvimetalurgia
- Aplicaciones médicas, electrónicas y de automoción
Revestimientos por pulverización térmica
- Deposición de revestimientos resistentes al desgaste y la corrosión
- Recubrimientos endurecidos utilizados en el mecanizado y la minería
- Revestimientos de barrera térmica en álabes de turbina
Pulvimetalurgia
- Ruta de prensado y sinterización para fabricar piezas de P/M
- Ampliamente utilizado para componentes de automoción como engranajes
- Alta productividad y capacidad de forma neta
Metales de aportación para soldadura fuerte
- Unión de metales mediante procesos de soldadura fuerte
- Polvos atomizados de aleación de soldadura fuerte como material de aportación
- Utilizado en intercambiadores de calor de automoción
Moldeo por inyección de polvo metálico
- Fabricación de piezas metálicas pequeñas y complejas
- Combinación de moldeo por inyección de plástico y pulvimetalurgia
- Aplicaciones en electrónica e implantes médicos
Especificaciones de los polvos de atomización de metales
Los polvos metálicos atomizados se caracterizan por diversas propiedades físicas, químicas y microestructurales en función de su uso final.
| Parámetro | Valores típicos | Métodos de ensayo |
|---|---|---|
| Tamaño de las partículas | 5 a 150 μm | Difracción láser, análisis granulométrico |
| Forma de las partículas | Esfericidad > 0,9 | Análisis de imágenes |
| Química | Composición de la aleación ± 0,5% | ICP-OES, análisis LECO |
| Contenido en oxígeno | <600 ppm | Fusión de gases inertes |
| Densidad aparente | 40 a 60% de densidad real | Caudalímetro Hall |
| Densidad del grifo | 60 a 80% de densidad real | ASTM B527 |
| Caudal | <25 s/50 g | Caudalímetro Hall |
| Gases residuales | H, O, N < 100 ppm | Análisis LECO |
| Microestructura | Granos finos y equiaxiales | SEM, microscopía óptica |
Normas de diseño para sistemas de atomización
El diseño, la instalación y el funcionamiento del sistema de atomización de metales deben ajustarse a las normas, reglamentos y directrices aplicables:
- Código ASME de calderas y recipientes a presión - Para el diseño de recipientes a presión
- NFPA 86 - Norma para hornos y estufas industriales
- ANSI Z49.1 - Seguridad en soldadura y corte
- OSHA 1910 - Códigos de seguridad laboral
- Normas locales de ventilación por extracción
- Directrices sobre efluentes de aguas residuales para la atomización del agua
- ISO 9001 - Sistemas de gestión de la calidad
Todos los equipos, como crisoles, artesas de colada, atomizadores y colectores de gas, deben estar diseñados para ofrecer fiabilidad y seguridad. Los operarios deben recibir formación y equipos de protección adecuados.
Proveedores de sistemas de atomización de metales
Hay muchos proveedores de equipos que diseñan, construyen e instalan sistemas de atomización completos y componentes:
| Proveedor | Ubicación | Tecnología | Capacidad | Coste |
|---|---|---|---|---|
| Phoenix Scientific | EE.UU. | Atomización de gas y agua | 10 - 10.000 kg/h | $$ |
| PSI Ltd. | REINO UNIDO | Atomización de gas | 1 - 1000 kg/h | $$$ |
| Burleson Technologies Inc. | EE.UU. | Boquilla de acoplamiento corto | 1 - 20 kg/h | $$$$ |
| Tecnologías de vacío ALD | Alemania | Atomización de electrodos | 5 - 50 kg/h | $$$ |
| Cremer Furnace Co. | Alemania | Atomización del agua | 500 - 5000 kg/h | $$ |
Los costes de los sistemas de atomización oscilan entre $100.000 para unidades a escala de laboratorio/piloto y más de $2 millones para grandes sistemas de producción. La ubicación, la capacidad, las características y la automatización determinan los costes de instalación.
Instalación y funcionamiento
La atomización de metales requiere amplios servicios e infraestructuras para funcionar sin problemas:
- Suministro de gases inertes: nitrógeno, argón
- Suministro y tratamiento del agua
- Sistemas eléctricos - de alta capacidad, de reserva
- Ventilación de escape: filtros de chispas y filtros de mangas
- Manipulación de materiales: crisoles, recipientes de transferencia
- Control e instrumentación
- Sistemas de seguridad: detectores de gas, extinción de incendios
Antes de la puesta en marcha en caliente, deben realizarse comprobaciones exhaustivas previas a la puesta en marcha:
- Pruebas de presión en conductos y recipientes de gas
- Revisión eléctrica, ventilación y controles
- Verificación del sistema de seguridad
- Funcionamientos en seco para confirmar los flujos de material
- Formación del personal sobre los procedimientos
Durante el funcionamiento, se supervisan y controlan continuamente parámetros como la temperatura, la presión y los caudales. El tamaño y la morfología del polvo de salida se analizan para optimizar el proceso. Efluentes de agua tratados antes de su vertido o reutilización.
Requisitos de mantenimiento
El mantenimiento rutinario garantiza la disponibilidad y longevidad de los sistemas de atomización:
- Inspección de recipientes y tuberías para detectar desgaste y fugas
- Sustitución de piezas dañadas o erosionadas, como boquillas
- Revisión de bombas de lodos, válvulas e instrumentación
- Revestimiento de equipos en contacto con metal fundido
- Comprobación de calentadores, termopares y controles del sistema
- Limpieza del colector de chispas del sistema de ventilación
- Mantenimiento de equipos de tratamiento de aguas
Un mantenimiento adecuado reduce el riesgo de fugas, obstrucciones y problemas eléctricos. También minimiza los tiempos de inactividad imprevistos y mejora la calidad del polvo.
Cómo seleccionar un proveedor de equipos de atomización
Elegir al proveedor de sistemas de atomización adecuado es fundamental para obtener un equipo de alto rendimiento. A continuación se indican los factores clave a tener en cuenta durante la selección:
- Experiencia demostrada - Número de instalaciones realizadas con éxito y años de actividad
- Conocimientos técnicos - Conocimientos específicos sobre aleaciones, mejoras continuas
- Personalización - Flexibilidad para adaptar el sistema a sus necesidades
- Fiabilidad - Alto historial de tiempo de actividad, componentes de calidad
- Servicio postventa - Contratos de mantenimiento, formación de operadores, actualizaciones
- Apoyo operativo - Fácil disponibilidad de repuestos y técnicos de servicio
- Coste - Precios acordes con las prestaciones, la capacidad y la automatización
- Conformidad - Cumplimiento de las normas y códigos de seguridad
- Referencias - Opiniones de clientes actuales
Evaluar a los proveedores en función de los parámetros anteriores mediante conversaciones, visitas a las instalaciones y revisión de las propuestas. Dé prioridad a factores como la seguridad, la fiabilidad y la asistencia frente al coste más bajo.
Ventajas y limitaciones de la atomización de metales
La atomización de metales tiene varias ventajas que la convierten en un método popular de producción de polvo:
Ventajas
- Excelente control de las características del polvo
- Alto rendimiento hasta 95% de conversión del metal
- Funcionamiento automatizado y continuo a altas velocidades
- Menor coste que las tecnologías alternativas
- Amplia aplicabilidad: adecuado para la mayoría de las aleaciones
- Capacidad de producción ampliable
- Calidad y composición uniformes del polvo
- Polvos esféricos ideales para procesos AM
- Ajuste fino de las propiedades del polvo mediante la modificación de los parámetros del proceso
Limitaciones
- Requiere una gran inversión de capital
- Infraestructuras adicionales de gas, agua y electricidad
- Los sistemas complejos requieren operadores especializados
- Limitaciones con aleaciones altamente reactivas
- Densidades de toma de polvo inferiores a las del material atomizado con gas
- Procesamiento secundario como el tamizado, necesario para aislar las fracciones de polvo.
- Pruebas de cualificación necesarias para los nuevos polvos de aleación
- No se adapta a la producción de lotes pequeños
Atomización con gas frente a atomización con agua
Existen varias diferencias entre los procesos de atomización con gas y con agua:
| Parámetro | Atomización de gases | Atomización del agua |
|---|---|---|
| Coste de capital | Alta | Bajo |
| Costes de explotación | Alta | Bajo |
| Tasa de enfriamiento | Lento | Muy alta |
| Recogida de oxígeno | Bajo | Alta |
| Morfología de polvo | Muy esférica | Irregular, satélites |
| Tamaño del polvo | Muy fino, 5 - 45 μm | Más grueso, hasta 150 μm |
| Compatibilidad de aleaciones | La mayoría de las aleaciones | Limitado, punto de fusión más bajo |
| Productividad | Baja | Más alto |
| Aplicaciones | AM, MIM | Proyección térmica, P/M |
La atomización con gas tiene costes más elevados, pero produce polvos de calidad superior adecuados para la AM. La atomización con agua es una técnica más sencilla y barata, pero los polvos tienen más oxígeno y peores formas.
preguntas frecuentes
¿Para qué sirve la atomización de metales?
La atomización de metales se utiliza para producir polvos de aleación finos y esféricos. Estos polvos se utilizan en fabricación aditiva, recubrimientos por pulverización térmica, moldeo por inyección de polvo y otras aplicaciones pulvimetalúrgicas.
¿Qué metales pueden atomizarse?
La mayoría de las aleaciones de ingeniería, incluidos los aceros, el aluminio, el titanio, el níquel, el cobre y sus aleaciones, pueden atomizarse con éxito. Algunas aleaciones reactivas como el titanio requieren atmósferas controladas.
¿Cuál es la diferencia entre la atomización con gas y con agua?
La atomización con gas utiliza un chorro de gas inerte para desintegrar el metal en finas gotitas. Produce polvos esféricos con menor contenido de oxígeno. La atomización con agua utiliza chorros de agua a mayor presión y da mayores índices de producción, pero los polvos tienen mayor captación de oxígeno.
¿Qué tamaños de partícula pueden conseguirse con la atomización?
La atomización con gas puede producir polvos muy finos, de hasta 5 micras, mientras que la atomización con agua produce polvos más gruesos, de más de 150 micras. El tamaño del polvo se controla mediante parámetros de proceso.
¿Cuál es la tasa de producción típica de la atomización?
Los atomizadores de gas a escala de laboratorio y piloto tienen tasas de producción más bajas en el rango de 1-10 kg/h. Las unidades de atomización con agua de alta capacidad pueden producir más de 1.000 kg/h de polvo.
¿Qué industrias utilizan polvos metálicos atomizados?
Las principales industrias consumidoras son la aeroespacial, la automovilística, la médica, la electrónica y la del petróleo y el gas. Los polvos se utilizan para fabricar componentes acabados mediante procesos de fabricación aditiva, moldeo por inyección de metales y pulverización térmica.
¿Cuánto cuesta un sistema de atomización?
Los sistemas de atomización cuestan a partir de $100.000 para unidades a escala de laboratorio, pero los sistemas de producción de alta capacidad pueden costar más de $2 millones. El coste depende de la capacidad, las características, la automatización y los equipos auxiliares.
¿Qué precauciones de seguridad son necesarias para la atomización?
La atomización implica la manipulación de metal fundido, gases a alta presión y agua. Los operarios necesitan una amplia formación y equipos de protección adecuados. Los sistemas de seguridad para la detección de gases, la extinción de incendios, el aislamiento eléctrico y la ventilación de emergencia son fundamentales.