Visión general
Polvos de aleación de silicio son materiales compuestos principalmente de silicio al que se añaden elementos de aleación como hierro, aluminio, magnesio, cobre y níquel. El silicio tiene valiosas propiedades semiconductoras, pero en estado puro es quebradizo. Cuando se combina con otros metales en forma de polvo, las aleaciones de silicio adquieren mayor resistencia, dureza, resistencia al desgaste, rendimiento a altas temperaturas y otras propiedades mejoradas, al tiempo que conservan características eléctricas útiles.
Los polvos de aleaciones de silicio se utilizan para fabricar componentes de precisión, herramientas y piezas de desgaste mediante técnicas pulvimetalúrgicas como el moldeo por inyección de metales, el prensado isostático en caliente, la fabricación aditiva y la sinterización. Entre sus principales aplicaciones se encuentran el sector de la automoción, la industria aeroespacial, la electrónica y la maquinaria industrial. Los polvos de aleaciones de silicio proporcionan un enfoque económico y flexible para producir componentes intrincados o de forma neta con propiedades metalúrgicas a medida.
Esta guía ofrece una visión detallada de los distintos tipos de aleaciones de silicio en polvo, su composición, propiedades, métodos de producción, aplicaciones y proveedores. Incluye varias tablas en las que se comparan parámetros entre distintas aleaciones de silicio y se resumen especificaciones clave. La guía pretende ayudar a ingenieros, diseñadores de productos, responsables de compras e investigadores a comprender los materiales en polvo de aleaciones de silicio y a seleccionar el grado óptimo para sus necesidades de fabricación.
Tipos de Polvos de aleaciones de silicio
Existen muchas variaciones de aleaciones binarias, ternarias y de orden superior que utilizan silicio y elementos metálicos. Algunos de los tipos de polvo de aleación de silicio más comunes son:
Tipos de aleaciones de silicio en polvo
| Aleación | Elementos primarios | Propiedades clave | Aplicaciones comunes |
|---|---|---|---|
| Ferrosilicio | Hierro, silicio | Gran dureza, magnetismo | Automoción, electrónica |
| Silumin | Aluminio, silicio | Ligero, resistente | Aeroespacial, automoción |
| Silicast | Aluminio, silicio, magnesio | Resistencia al desgaste, baja densidad | Aeroespacial, automoción |
| Kovar | Hierro, níquel, cobalto, silicio | Coincidencia de dilatación térmica con el vidrio | Envases electrónicos |
| CuSil | Cobre, silicio | Conductividad eléctrica, lubricidad | Electrónica, cepillos |
| Nichrome | Níquel, cromo, silicio | Resistencia al calor y a la corrosión | Elementos calefactores |
Polvos de aleación de ferrosilicio
Las aleaciones de ferrosilicio contienen proporciones variables de hierro y silicio, a veces con pequeñas adiciones de carbono o magnesio. Sus principales características son:
- Gran dureza y resistencia
- Carácter pirofórico debido al contenido en hierro
- Menos quebradizo que el silicio puro
- Se utiliza en pulvimetalurgia, varillas de soldadura y ánodos de baterías
Las composiciones típicas incluyen FeSi 75, FeSi 90, FeSiMg con un contenido de silicio que oscila entre 15% y 90% equilibrado por el hierro. Las partículas de silicio más pequeñas en una matriz de hierro mejoran el magnetismo.
Polvos de aleación Silumin
Las siluminas son aleaciones de aluminio y silicio con composiciones típicas entre 5-20% Si equilibradas por Al. Entre sus propiedades se incluyen:
- Baja densidad pero alta resistencia
- Buena colabilidad y maquinabilidad
- Se utiliza en componentes de automoción y aeroespaciales
A menudo se añaden refinadores de grano como el titanio o el boro. Los siluminos ofrecen una opción de aleación metálica ligera.
Polvos de aleación Silicast
Los silicatos son aleaciones ternarias que contienen aluminio, silicio y magnesio. Propiedades clave:
- Baja densidad pero alta dureza y resistencia al desgaste
- Rangos de contenido de Si (4-15%), Mg (0,5-5%), y equilibrio Al
- Se utiliza para pistones de alto rendimiento y aplicaciones aeroespaciales
Las aleaciones Silicast se valoran por sus propiedades antidesgaste combinadas con una menor densidad frente a las aleaciones ferrosas.
Polvos de aleación Kovar
El kovar es una aleación ferrosa de níquel y cobalto que contiene silicio y que iguala el coeficiente de dilatación térmica del vidrio de borosilicato. Tiene:
- Composición de Fe 54%, Ni 29%, Co 17%, Si 0,5%
- Microestructura densa y uniforme
- Excelente adherencia con vidrio, cerámica
- Se utiliza para sellados vidrio-metal en envases electrónicos
El contenido de silicio del Kovar le permite igualar el comportamiento de dilatación del vidrio en una amplia gama de temperaturas.
Polvos de aleación CuSil
Las aleaciones CuSil combinan cobre 70-97% con silicio 1,5-15%. Entre sus propiedades se incluyen:
- Mantiene la alta conductividad eléctrica y térmica del cobre
- Mayor lubricidad y resistencia al desgaste
- Se utiliza para cepillos, electrodos de soldadura y contactos de alta corriente
El silicio aumenta la dureza y la resistencia mecánica en comparación con el cobre puro.
Polvos de aleación de nicromo
El nicromo se refiere a las aleaciones de níquel-cromo con adiciones de silicio o aluminio hasta 5%. Ofrece:
- Excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas
- Alta resistividad eléctrica para elementos calefactores
- Resistencia mecánica mantenida a temperaturas elevadas
Los grados de silicona nicromada proporcionan unas características de fluidez mejoradas adecuadas para el procesado de polvo.
Producción de polvos de aleaciones de silicio
Los polvos de aleaciones de silicio se fabrican mediante técnicas similares a las de otros polvos metálicos, como:
- Atomización
- La atomización con agua pulveriza la aleación fundida en agua
- La atomización con gas utiliza chorros de gas inerte
- Produce polvos esféricos óptimos para el prensado
- Fresado mecánico
- Molienda por bolas o molino attritor
- Formas de polvo irregulares y amplias distribuciones de tamaño
- Deposición electrolítica
- Recubre electrolíticamente un cátodo con polvo de aleación
- Posibilidad de polvo muy fino
- Reducción química
- Reducción de silicio y sales metálicas en polvo de aleación
- Rentable, utilizado para la producción de ferrosilicio
- Atomización por plasma
- Utilizar la antorcha de plasma para generar polvos metálicos ultrafinos
- Entorno de proceso limpio e inerte
- Partículas a nano o microescala
Los polvos de aleación se tamizan para obtener los tamaños de partícula deseados y pueden seguir procesándose con recocido, lubricación o revestimiento.
Propiedades de Polvos de aleaciones de silicio
Las aleaciones de silicio presentan una amplia gama de propiedades físicas, mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y químicas en función de su composición y microestructura.
Propiedades del polvo de aleación de silicio
| Propiedad | Efectos | Medición |
|---|---|---|
| Tamaño de las partículas | Comportamiento de sinterización, densidad compacta | Difracción láser, tamizado |
| Forma de las partículas | Fluidez del polvo, densidad de prensado | Microscopía, análisis de imágenes |
| Composición de la aleación | Resistencia mecánica, conductividad, magnetismo | Plasma acoplado inductivamente, fluorescencia de rayos X |
| Densidad aparente | Compactibilidad, densidad de prensado | Caudalímetro Hall, volumétrico Scott |
| Densidad del grifo | Compresibilidad, densidad de llenado de la matriz | ASTM B527 |
| Caudal | Manipulación del polvo, densidad de llenado | Caudalímetro Hall |
| Estabilidad térmica | Respuesta de sinterización, microestructura | Calorimetría diferencial de barrido |
| Contenido en oxígeno | Necesidades de la atmósfera de sinterización | Análisis de fusión de gases inertes |
| Permeabilidad magnética | Para compactos magnéticos blandos | Gráfico de histéresis, analizador BH |
El porcentaje de silicio influye en la resistencia, la fragilidad, la resistividad eléctrica y las propiedades térmicas. Los elementos de aleación aportan características distintas: aluminio para la resistencia, níquel para el magnetismo, etc.
Las morfologías del polvo, como las formas esféricas atomizadas con gas, proporcionan la máxima densidad, mientras que las partículas fresadas irregulares mejoran el comportamiento de prensado.
La densidad aparente indica la respuesta de compactación. El índice de flujo Hall y el índice de Carr se correlacionan con las propiedades de flujo del polvo durante el prensado. Los analizadores térmicos identifican las posibles temperaturas de sinterización en estado sólido.
Aplicaciones de los polvos de aleaciones de silicio
Gracias a sus propiedades físicas, mecánicas y electromagnéticas, los polvos de aleaciones de silicio se utilizan en muchas industrias para fabricar piezas y componentes acabados.
Principales aplicaciones de las aleaciones de silicio
| Industria | Ejemplos de aplicaciones | Propiedades deseadas |
|---|---|---|
| Automotor | Engranajes, pistones, piezas de motor | Resistencia a altas temperaturas y al desgaste |
| Aeroespacial | Palas de turbina, piezas estructurales | Relación resistencia/peso, resistencia a la fluencia |
| Electrónica | Núcleos magnéticos, envases, contactos | Conductividad eléctrica, comportamiento magnético blando |
| Industrial | Herramientas de corte, troqueles, rodamientos | Dureza, tenacidad a la fractura, lubricidad |
| Ordenanza | Penetradores, cajas de artillería | Densidad, ductilidad, resistencia al impacto |
| Química | Válvulas, bombas, reactores | Resistencia a la corrosión, comportamiento a altas temperaturas |
Las técnicas pulvimetalúrgicas permiten fabricar componentes intrincados con formas netas o casi netas que no se obtienen fácilmente por fundición o mecanizado.
Los usos en automoción incluyen componentes de motores sometidos a presiones y temperaturas extremas. Las aplicaciones aeroespaciales exigen aleaciones ligeras y de alto rendimiento.
Los contactos eléctricos se basan en aleaciones de cobre/silicio para combinar conductividad y durabilidad mecánica. Las herramientas y matrices industriales aplican las propiedades de dureza y desgaste de las aleaciones de ferrosilicio o silicato.
Los polvos de aleaciones de silicio permiten adaptar características físicas, químicas, térmicas, eléctricas y magnéticas que no pueden conseguirse con polvos de un solo metal.
Especificaciones de los polvos de aleación de silicio
Los polvos de aleaciones de silicio están disponibles bajo diversas especificaciones de polvo estándar nacionales e internacionales que definen el rango de tamaño de las partículas, los niveles de impurezas permitidos, los límites de composición de la aleación y otros parámetros específicos del grado.
Especificaciones del polvo de aleación de silicio
| Aleación | Normas aplicables | Tamaño de partícula | Densidad aparente | Caudal |
|---|---|---|---|---|
| Ferrosilicio | ASTM A483 | -150 +400 malla | 2,5-3,1 g/cc | 25-35 s/50g |
| Silumin | EN 1706 | -325 mallas | 1,5-2,2 g/cc | 35-45 s/50g |
| Silicast | DIN 1718 | 10-45 micras | 2,8-3,2 g/cc | 28-32 s/50g |
| Kovar | JIS Z 3265 | -270 mallas | 4,8-5,2 g/cc | 22-28 s/50g |
| CuSil | QSIL051 | -325 mallas | 3,2-4,1 g/cc | 30-40 s/50g |
| Nichrome | AMS 7759 | 10-50 microns | 4.2-4.8 g/cc | 26-32 s/50g |
Key criteria like particle size distribution, flow rate, apparent density, and composition ranges help define application suitability.
International standards organizations and professional societies like ASTM, ISO, DIN, JIS, AMS, and AWS maintain metallic powder specifications covering major alloys.
Specifications assist with quality control during manufacturing and provide customers repeatable powder performance.
Silicon Alloy Powder Suppliers
Many major metal powder producers offer standard and custom silicon alloy powder compositions suitable for pressing, sintering, metal injection molding, additive manufacturing, and thermal spray.
Silicon Alloy Powder Suppliers
| Proveedor | Silicon Alloys Offered | Capacidad de producción | Precios |
|---|---|---|---|
| Höganäs | Ferrosilicon, Nichrome, Silicast | 50,000 tonnes/year | $$/kg |
| CNPC Polvo | Ferrosilicon, CuSil, Kovar | 30,000 tonnes/year | $/kg |
| Guizhou Zhenhua | Ferrosilicio | 10,000 tonnes/year | $/kg |
| Vale Metals | Silumin, Nichrome | 20,000 tonnes/year | $$/kg |
| Metal Powders India | Ferrosilicon, Silumin | 5,000 tonnes/year | $/kg |
| Acero JFE | Silicast, Kovar | 35,000 tonnes/year | $$/kg |
Pricing depends on alloy composition, particle size, purity levels, order quantity, and geographical location. Expect to pay premiums for highly engineered alloys used in critical applications versus commodity ferrosilicon grades.
Choosing the Right Silicon Alloy Powder
Selecting the optimal silicon alloy powder requires matching the composition and powder properties to your manufacturing process and final component performance requirements.
Key selection criteria include:
- Composición de la aleación – Determines physical, mechanical, thermal, electrical properties
- Tamaño y forma de las partículas – Impacts powder flow and compacted density
- Apparent and tap density – Relates to pressing behavior and green strength
- Flow characteristics – Important for automated powder handling
- Niveles de pureza – Affects final properties and microstructure
- Cost factors – Raw materials, production method, quality standards
Work with powder producers early in the design process to narrow suitable alloy choices and powders optimized for your process. Multiple options may meet the technical requirements so focus on maximizing value.
Preguntas más frecuentes
Here are answers to some frequently asked questions about silicon alloy powders:
What are the main advantages of silicon alloys versus pure metals?
Silicon alloys retain desirable electrical properties like conductivity or semiconducting behavior while improving mechanical performance. Alloying increases hardness, strength, thermal stability, and wear resistance compared to pure silicon or other base metals.
How do ferrosilicon properties vary with silicon content?
As silicon content increases from 15% Si to 90% Si in ferrosilicons, hardness increases but so does brittleness. Electrical resistivity also rises dramatically with higher silicon levels. 75% Si represents a good compromise between magnetism, ductility, and hardness.
What powder size is recommended for metal injection molding?
For most alloy systems, a powder size range of 10-25 microns provides optimal flow when bindered as well optimal particle packing and sintered density. Finer powders improve green strength but compromise flow behavior.
What causes lower apparent density versus tap density in powders?
Tap density measured under vibration reflects the densest packing state achievable whereas apparent density includes interparticle voids that reduce packing efficiency. Irregular angular powder morphologies exhibit a larger gap between apparent and tap densities.
How are copper and nickel silicons different from ferrosilicons?
CuSil and NiSi alloys retain the high electrical and thermal conductivity of copper and nickel versus the insulating properties of iron. This makes them preferable for applications like brushes and contacts requiring combined metallurgical and conductive characteristics.
What is the benefit of gas atomization versus mechanical milling?
Gas atomization produces spherical, flowing powders suited for automated die fill whereas milling creates irregular particles with higher green strength. Gas atomized powders have lower R:G density ratios but give better sintered uniformity.
Conclusión
Silicon alloy powders enable high performance metal components combining electrical, magnetic, and engineering properties unattainable through pure metals. By selecting the optimal composition, powder characteristics, and fabrication process, engineers can develop components with unique capabilities and value. The versatility of silicon alloys will continue driving advances and innovations across industries.
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