Polvos metálicos se refiere a gránulos finos de metal utilizados en la fabricación y otras aplicaciones industriales. Consisten en partículas metálicas en forma de polvo que presentan propiedades únicas en comparación con el metal a granel que las hacen adecuadas para usos especializados.
Detalles clave sobre los polvos metálicos:
| Composición | Metales puros como hierro, cobre, aluminio, níquel, etc. o aleaciones metálicas |
| Tamaño de las partículas | Varía ampliamente de 10 a 250 micras en función del uso previsto |
| Proceso de producción | Atomización, electrólisis, proceso carbonílico, molienda, condensación, etc. |
| Propiedades clave | Fluidez, densidad aparente, densidad de toma, compresibilidad, permeabilidad, etc. |
| Principales aplicaciones | Fabricación aditiva, moldeo por inyección, prensado y sinterizado, soldadura, soldadura fuerte, revestimiento de superficies, etc. |
Tipos de Polvos metálicos
Muchos metales puros y aleaciones metálicas están disponibles en forma de polvo para usos industriales. Algunas de las principales categorías y ejemplos son:
| Tipo | Composición |
|---|---|
| Metal puro | Hierro, cobre, aluminio, cromo, níquel, cobalto, tungsteno |
| Aleaciones ferrosas | Acero inoxidable, acero para herramientas, acero aleado |
| Aleaciones no ferrosas | Latón, bronce, aleaciones de titanio |
| Metales preciosos | Oro, plata, platino |
| Metales refractarios | Tungsteno, molibdeno, niobio, tántalo |
El metal o la aleación elegidos dependen de factores como el coste, las propiedades físicas requeridas, la compatibilidad, la estética y las necesidades de rendimiento de la aplicación.
Composición y características
La composición y las características de los polvos metálicos dependen del metal base, los elementos de aleación utilizados, el método de producción, el rango de tamaño de las partículas, la forma, la porosidad y el tratamiento superficial.
| Parámetro | Descripción |
|---|---|
| Base metálica | Elemento central que conforma la composición más elevada. Determina la densidad, la resistencia, el punto de fusión, etc. |
| Elementos de aleación | Se añade para adaptar propiedades físicas y mecánicas como la dureza, la resistencia a la corrosión, la conductividad, etc. |
| Proceso de producción | Influye en el rango de tamaño de las partículas, la forma, el nivel de porosidad, las características de flujo, la densidad aparente, etc. |
| Tamaño de las partículas | El rango típico es de 10 - 250 μm. También existen subcategorías de nanopolvos (<100 nm). Impacta en la reactividad, la fluidez y la densidad. |
| Forma de las partículas | Esférica, triturada, irregular, escamosa. Afecta a la velocidad de flujo, la densidad de empaquetamiento y la adhesión de capas en la fabricación aditiva. |
| Porosidad | Partículas sólidas o porosas. Las porosas absorben fácilmente la humedad. Las sólidas tienen mayor densidad. |
| Tratamiento de superficies | Los revestimientos (orgánicos, metálicos) pueden mejorar la fluidez y reducir la reactividad con el medio ambiente. |
Comprender cómo influyen estos parámetros en las propiedades del polvo permite seleccionar el polvo adecuado para una aplicación.
Aplicaciones y usos
Los polvos metálicos se utilizan ampliamente en la industria manufacturera, la construcción, la electrónica, la automoción, la industria aeroespacial, la medicina y otros sectores.
| Zona | Aplicaciones |
|---|---|
| Fabricación aditiva | Impresión 3D de piezas metálicas mediante tecnologías como DMLS, SLM, EBM, binder jetting |
| Moldeo por inyección de polvo | Fabricación de piezas metálicas pequeñas, complejas, con forma de red y buen acabado |
| Pulvimetalurgia | El polvo prensado y sinterizado se compacta en piezas; los lubricantes sin cenizas mejoran las propiedades |
| Soldadura | Polvos de metal de aportación para unir metales; los alambres tubulares mejoran la soldadura |
| Revestimiento de superficies | Revestimientos metálicos por pulverización térmica para la protección contra la corrosión y el desgaste |
| Electrónica | Polvos conductores de plata, cobre y níquel en adhesivos y tintas |
| Piezas de automóviles | Engranajes de transmisión de acero y aluminio forjados en polvo, piezas de motor |
| Aeroespacial | Piezas de precisión de titanio y aleaciones de níquel; revestimientos de turbinas y álabes |
| Medicamento | Los implantes de titanio poroso permiten el crecimiento óseo; polvos de hierro biorreabsorbibles |
Los polvos metálicos tienen diversas aplicaciones en muchos ámbitos tecnológicos y permiten técnicas de fabricación especializadas.
Especificaciones
Los polvos metálicos deben cumplir una serie de especificaciones físicas y de composición precisas para que funcionen eficazmente en los procesos de fabricación.
| Parámetro | Valores típicos | Papel |
|---|---|---|
| Tamaño de las partículas | 10 - 150 μm | Determina la densidad/fluidez; más pequeño = más reactivo |
| Densidad aparente | Hasta 65% de densidad real | Influye en el peso y la fluidez; los paquetes de menor densidad son mejores |
| Densidad del grifo | Hasta 80% de densidad real | Indicador de las características del flujo bajo vibración/agitación |
| Ratio de Hausner | <1,25 indica buena fluidez | Relación entre la densidad de toma y la densidad aparente |
| Compresibilidad | 20-35% | Capacidad del polvo para reducir su volumen bajo presión |
| Ángulo de caída | <40° es de flujo libre | Pendiente de la pila de polvo; menor = más fluido |
| Caudal del pasillo | <30s/50g | Tiempo necesario para que 50 g de polvo fluyan a través de un orificio |
| Morfología | Esférico/irregular | La forma de las partículas afecta a la fluidez y a la densidad de empaquetamiento |
| Pureza | >99,5% | Alta pureza requerida para el rendimiento; eliminada por atomización de gas. |
| Contenido de humedad | <0,1 peso.% | La humedad reduce la fluidez y la resistencia |
El cumplimiento de las especificaciones garantiza la coherencia entre lotes y la compatibilidad del polvo con los procesos de producción.
Procesos de producción de polvo
Los polvos metálicos se producen mediante diversos métodos, cada uno de los cuales da lugar a polvos con características diferentes, adecuados para determinadas aplicaciones.
| Proceso | Método | Tamaño típico | Morfología | Escalabilidad | Coste |
|---|---|---|---|---|---|
| Atomización de gases | El gas a alta presión rompe la corriente de metal fundido | 15 - 150 μm | Mayormente esférico | Alta | Medio |
| Atomización del agua | Ruptura con chorros de agua a alta velocidad | 20 - 250 μm | Irregular, poroso | Alta | Bajo |
| Electrólisis | La reacción electroquímica deposita partículas finas | 1 - 1000 μm | Dendrítico, poroso | Bajo | Alta |
| Electrodo giratorio | Las fuerzas centrífugas desprenden partículas | 20 - 100 μm | Escamoso, irregular | Bajo | Medio |
| Proceso carbonílico | Descomposición térmica de compuestos gaseosos | 1 - 10 μm | Esférica | Alta | Alta |
| Fresado mecánico | Las partículas duras trituran los grumos de metal hasta convertirlos en polvo | 10 - 250 μm | Irregular, poroso | Alta | Bajo |
- La atomización con gas y agua permite obtener altos índices de producción de polvos esféricos finos adecuados para la fabricación aditiva.
- La electrólisis produce polvos porosos e irregulares adecuados para el prensado/sinterizado
- El fresado mecánico es versátil para producir compuestos, aleaciones y nanopolvos de distintos metales.
Así, los atributos del polvo pueden adaptarse utilizando diferentes métodos de producción.
Grados y normas
Diversas organizaciones de normalización nacionales e internacionales han desarrollado especificaciones de grado para polvos metálicos comunes con el fin de permitir el control de calidad durante la fabricación y el uso.
| Región | Grados especificados | Metales cubiertos | Papel |
|---|---|---|---|
| Estados Unidos | Normas MPIF | Hierro, acero, acero inoxidable, cobre, latón, aleaciones de níquel | Garantiza propiedades mecánicas constantes |
| Europa | Normas EN, DIN e ISO | Aceros, aceros inoxidables, aceros para herramientas, cobre, aleación de aluminio, níquel, cobalto | Compatibilidad del polvo con los procesos industriales |
| Japón | Normas JIS | Polvo de aleaciones de hierro, cobre y aluminio | Define una metodología de ensayo precisa |
| India | Normas BIS | Polvo de hierro, acero y cobre | A la medida de los fabricantes y usuarios indios |
La designación del grado indica el rango de tamaño de las partículas, los niveles de pureza, la composición de la aleación y otros parámetros que ayudan a adecuar los polvos al uso previsto en diversos sectores.
Precios
Los precios de los polvos metálicos dependen de la composición, los niveles de pureza buscados, el método de producción utilizado, la escasez de materias primas, la dinámica oferta-demanda y la cantidad comprada.
| Polvo metálico | Gama de precios |
|---|---|
| Hierro y acero de baja aleación | $1 - 3 por kg |
| Herramienta y acero inoxidable | $5 - 10 por kg |
| Aleaciones de níquel | $10 - 30 por kg |
| Titanio y superaleaciones | $50 - 250 por kg |
| Aleaciones pesadas de wolframio | $50 - 100 por kg |
| Metales preciosos (Au, Ag, Pt) | $3000 - 5000 por kg |
Precios estimados para cantidades a granel compradas directamente a los principales productores.
Los precios siguen el orden típico: metales ferrosos < aleaciones no ferrosas < aleaciones de alto rendimiento, en función del coste de los metales. Los metales de gran consumo, como el hierro y el acero inoxidable en polvo, se producen en grandes volúmenes, lo que los hace más económicos.
Comparación entre los principales tipos de polvo metálico
| Parámetro | Acero inoxidable | Aleación de aluminio | Aleación de níquel | Aleación de titanio |
|---|---|---|---|---|
| Densidad | Medio (7-8 g/cc) | Bajo (2,7 g/cc) | Alta (8-9 g/cc) | Medio (4,5 g/cc) |
| Fuerza | Medio | Bajo | Alta | Medio |
| Reactividad | Bajo | Alta | Medio | Alta |
| Conductividad térmica | Bajo | Alta | Medio | Bajo |
| Resistencia a la corrosión | Alta | Medio | Alta | Alta |
| Coste | Bajo | Bajo | Alta | Muy alta |
| Ejemplos de aplicaciones | Implantes médicos, utensilios de cocina | Piezas de automóviles, aviones | Palas de turbina, marina | Aeroespacial, médica |
- Los polvos de acero inoxidable ofrecen resistencia a la corrosión y solidez a bajo coste adecuadas para productos de consumo
- Polvos ligeros de aleación de aluminio muy utilizados para componentes de automóviles sensibles al peso
- Las aleaciones de níquel soportan bien las altas temperaturas; útiles para motores y turbinas de gas.
- El titanio posee la relación resistencia-peso deseada en las piezas estructurales de los aviones
Así, cada tipo de polvo tiene características específicas que lo hacen preferible para aplicaciones especializadas en diversas industrias.
Pros y contras de Polvos metálicos
| Ventajas | Desventajas |
|---|---|
| La superficie muy elevada aumenta la reactividad | Propenso a incendios y explosiones de polvo si el polvo está en suspensión |
| Piezas con forma de red próxima a partir de diversas técnicas | Requiere atmósfera protectora o revestimientos debido a su alta reactividad |
| Sin chatarra ni mecanizado, a diferencia de los métodos convencionales | A menudo menor resistencia y densidad que el metal fundido y forjado |
| Microestructura fina consistente por enfriamiento rápido | Manipulación y contenedores especiales necesarios para evitar la contaminación |
| Fácilmente aleable en composiciones de alto rendimiento | Las características de fluidez varían significativamente según el polvo |
| Menor consumo de energía que la extracción de minerales | Alto coste de algunos polvos metálicos especiales |
| Fabricación simplificada de formas complejas e intrincadas | Los problemas de porosidad durante la compactación afectan a las propiedades mecánicas |
Pros - Los polvos metálicos permiten posibilidades de fabricación transformadoras y propiedades a medida a partir de una amplia gama de materiales.
Contras - existen problemas de seguridad con el almacenamiento y la manipulación; las propiedades son específicas de cada aplicación.
Con controles de ingeniería sólidos, las ventajas únicas de los polvos metálicos superan a las deficiencias para aplicaciones críticas.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Por qué se utilizan polvos metálicos en lugar de metales sólidos?
Los polvos metálicos ofrecen ventajas únicas sobre los metales a granel en la fabricación y otras aplicaciones:
- La gran relación superficie/volumen mejora la reactividad para la aleación, el calentamiento y el revestimiento.
- Estructuras finas y uniformes y enfriamiento rápido controlado a partir de procesos en polvo
- Métodos de fabricación de formas próximas a la red, como la fabricación aditiva y el moldeo por inyección de polvo.
- Las composiciones de polvo a medida permiten aleaciones de alto rendimiento
- Fabricación simplificada de componentes complejos e intrincados
- Menor consumo de energía que la extracción y el refinado a partir de minerales
Las propiedades específicas de los polvos los hacen más adecuados que los metales a granel para aplicaciones especializadas.
¿Cómo determinar si un polvo metálico es de buena calidad?
Indicadores de que un polvo metálico cumple las normas de calidad:
- Composición - Alta pureza con elementos de aleación específicos que garantizan un rendimiento fiable
- Tamaño de las partículas - La distribución estrecha mejora la densidad y las características del flujo
- Morfología - Las partículas esféricas proporcionan mayor fluidez que las irregulares
- Caudal - Medido mediante caudalímetro de pasillo o prueba de ángulo de reposo para cumplir los parámetros de fluidez
- Densidad aparente - La mayor densidad mejora el empaquetado y la distribución del polvo
- Densidad del grifo - Una mayor densidad indica una mejor fluidez bajo vibración
- Contenido en humedad - La baja humedad garantiza que el polvo no se aglomere durante el almacenamiento y la manipulación
El cumplimiento de las especificaciones de las características del polvo demuestra a los usuarios el control del proceso de producción y la coherencia entre lotes.
¿Qué precauciones deben tomarse al manipular polvos metálicos?
Precauciones especiales al manipular polvos metálicos:
- Peligros de explosión - En forma finamente dividida los polvos son altamente inflamables, evite las fuentes de ignición
- Problemas de oxidación - Los polvos reactivos sensibles deben almacenarse en atmósfera de gas inerte
- Sistemas de contención - se utilizan recipientes estancos para evitar derrames; se prefieren los sistemas sellados de manipulación de polvos
- Seguridad del personal - Ropa protectora, guantes, máscaras respiratorias obligatorias especialmente para polvos tóxicos
- Ventilación - Sistemas de escape locales para evitar la suspensión de partículas finas en el aire que puedan ser inhaladas.
- Conexión a tierra - Los equipos conectados a tierra evitan la acumulación de cargas estáticas que pueden inflamar los polvos
- Control de la humedad -Mantenimiento de la humedad para evitar el apelmazamiento y el ensuciamiento de los polvos.
Se necesitan controles estrictos y sistemas de protección para una manipulación segura del polvo metálico debido a los riesgos de incendio, salud y contaminación.
¿Cuáles son los problemas técnicos habituales de la impresión 3D con polvos metálicos?
Algunos problemas comunes de la fabricación aditiva basada en polvo metálico:
- Porosidad - Las burbujas de gas atrapadas durante la solidificación dejan huecos que reducen la resistencia
- Acabado superficial - La acumulación de capas provoca rugosidades que requieren tratamiento posterior
- Tensión residual - Los ciclos térmicos inducen tensiones internas que provocan alabeos o grietas en las piezas.
- Propiedades anisótropas - La direccionalidad de las capas de construcción provoca variaciones en las propiedades del material
- Tolerancia dimensional - Límites de precisión debidos a la contracción, las variaciones de tamaño de las partículas de polvo
- Falta de fusión - La fusión incompleta entre capas debido a una mala distribución del polvo afecta a la resistencia
- Aleación no deseada - La interacción entre los materiales exóticos y la placa base requiere control
- Tiempos de construcción largos - Geometrías complejas que requieren días, con el riesgo de que los fallos de los equipos interrumpan los trabajos
Comprender y mitigar estos mecanismos mediante el modelado, la optimización de los parámetros de procesamiento y el control de calidad es esencial para una fabricación aditiva metálica fiable.
Conclusión
Los polvos metálicos ofrecen un formato de material versátil que abre nuevas posibilidades de fabricación en todos los sectores. Permiten composiciones a medida imposibles mediante el procesamiento convencional de metales a granel en forma sólida. A medida que las especificaciones y calidades del polvo se estandaricen en todo el mundo, la consistencia y fiabilidad seguirán mejorando para contribuir a la transición de las técnicas especializadas a la corriente dominante. Los avances en las tecnologías de producción también reducirán los costes y paliarán las limitaciones actuales en cuanto a falta de fusión, tensiones residuales y propiedades direccionales. La rápida expansión de la fabricación aditiva de metales, especialmente en los sectores aeroespacial, médico y de utillaje, subraya el potencial transformador de los polvos metálicos. Con una mayor adopción, están preparados para asumir un papel vital que vincule el desarrollo de materiales de alto rendimiento con los procesos de fabricación de nueva generación.
