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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22, N° 2, 2002, 57 - 65
PROCESO DE ATOMIZACIÓN Y RECOCIDO DESCARBURANTE (PARD)
PARA LA OBTENCIÓN DE POLVOS MICROPOROSOS DE
ACERO INOXIDABLE
M. Martínez',
w. Suwardjo-,
L. García', J. Frades', A. Formoso" y A. Cores'
1. Instituto Superior Pedagógico para la Educación Técnica Profesional (ISPETP), Calzada. Arday s/n,
Rpto. Trigal, Boyeros, Ciudad de la Habana, Cuba. <[email protected]>
2. Centro de Investigaciones Metalúrgicas (CIME), Avda.51, 23611, La Lisa, Ciudad de la Habana,
Cuba <[email protected]>
3. Centro Nacional" de Investigaciones Metalúrgicas, Avda. Gregorio del Amo 8, 28040 Madrid
<[email protected]>
Resumen
En el trabajo se trata el desarrollo de la tecnología de obtención de polvos microporosos de acero inoxidable mediante
atomización y recocido de descarburación. La esencia del proceso está en recarburar el metal en estado líquido y posteriormente
descarburar el polvo en estado sólido mediante recocido en hidrógeno o amoniaco disociado. Con esta tecnología se logra la
formación de una microporosidad interna en la partícula que aligera el material y mejora los procesos de conformación, ya que
aumenta la deformación que puede experimentar una partícula. A su vez, se reduce el costo de producción y los gastos de
inversión. Además, se exponen los resultados del estudio cinético acerca de la descarburación y la caracterización del polvo de
acero inoxidable obtenido.
Palabras claves: Pulvimetalurgia.
Atomización; Polvo de acero inoxidable. Microporosidad.
Recocido de descarburación.
Abstraet
In this paper, a technology for obtaining microporous stainless steel powders by atomization and decarburization annealing
is dealt with. The essence of the process is based in the recarburization of the liquid-state metal and a subsequent decarburization
of the solid-state powder by means of annealing in hydrogen or dissociated ammonía. An internal microporosity in the partic1e
is formed throughthis technology activating the pressing process due to the improvement of its plastic behaviour, while a
reduction in both production costs and investment expenses for introducing this technology takes place. In addition, the results
of the study regarding decarburization, as well as the characterization of stainless steel powders are shown.
Keywords: Powder metallurgy. Atomization. Stainless steel powders. Microporosity. Decarburization
annealing.
1. Introducción
La necesidad del Taller Experimental-Productivo
de
Pulvimetalurgia
(TEPP), subordinado
al Centro de
Investigaciones Metalúrgicas (CIME), en La Habana (Cuba)
de dar respuesta a las demandas del mercado interno y
externo de polvos de acero inoxidable, estimuló la búsqueda
de una tecnología para su fabricación que empleara las
materias primas nacionales, de forma tal que fuera de fácil
asimilación, y a su vez, que el polvo tuviese una calidad
comparable a los disponibles en el mercado internacional.
Se debe destacar, que Cuba dispone de materias primas para
la fabricación de acero inoxidable, entre las que se pueden
mencionar: sínter de níquel, subproductos de acero inoxidable
de la factoría ACINOX Tunas, chatarra de acero al carbono e
inoxidable, ferrocromoy ferrocromoníquel. Por otra parte, el
TEPP cuenta con instalaciones para la fabricación de polvos
de aleaciones base cobre, níquel y hierro.
Esto dio lugar al surgimiento del Proceso de Atomización y
Recocido Descarburante (PARD) [1] para la obtención de
polvos de acero inoxidable, cuya esencia consiste en elevar
el contenido de carbono .durante la fusión hasta la
concentración eutéctica (4,2-5,0 %C) y posteriormente,
disminuirlo a 0,06 %C durante el recocido descarburante, en
una atmósfera: de hidrógeno o amoníaco disociado mediante
las reacciones:
C + 2H2 ---t CH4
DH = - 74,848 kJ/mol
3C + 4NH3 ---t 3CH4 + 2N2 DH = - 40,857 kJ/mol
57
58
M. Marttne: y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
En la última reacción el carbono se reduce por el hidrógeno que se produce en la descomposición del amoniaco en
hidrógeno y nitrógeno.
El carbono presente en la superficie de la partícula reacciona con el hidrógeno extrayéndose en forma de metano.
Esto crea una diferencia de concentración de carbono entre
la superficie y el centro de la partícula que lo hace difundir
hacia la superficie garantizando la disponibilidad de carbono para el desarrollo de la reacción [2].
Como resultado, la morfología y la estructura interna de la
partícula se modifican y aparece una intensa y fina rugosidad en su superficie y una microporosidad interna que puede alcanzar un 10 % en volumen, aproximadamente. Estas
nuevas características reducen la presión específica de prensado del polvo de acero inoxidable en 200 MPa, debido a que
mejoran su comportamiento
plástico,
dado por la
microporosidad interna, y su resistencia en verde como resultado de una mayor adherencia entre las partículas gracias
a su rugosidad superficial. Además, el polvo en estado de
atomización con alto carbono y elevada tensión estructural
puede ser fácilmente triturado, al ser muy frágil, con lo que
se eleva el rendimiento de la fracción útil « 180 mm u 80
mesh) a prácticamente un 100 % [3].
Esta idea surge de un trabajo presentado, en 1977, por
Shorniak y Olikier [4], en el que exponen los resultados acerca del recocido en hidrógeno de polvos de hierro. En este
trabajo, se analizan distintos factores que influyen en el proceso de descarburación, tales como: tiempo de retención y
temperatura de calentamiento, concluyendo que el contenido de carbono puede descender de 3,39 a 0,006 % en masa.
Posteriormente, en 1985, Rabinovich y Zaslovskii [5] publican los resultados sobre el incremento de la resistencia
físico-mecánica de los aceros inoxidables austeníticosmediante la descarburación en fase sólida y nitruración. En este
caso los ensayos se realizaron sobre productos laminados
tubulares, para los que el contenido en carbono disminuyó
de 0,026-0,048 % al 0,015 %. Para ello los autores combinan
un tratamiento térmico en alto vacío con adición de cascarilla de laminación para estimular el potencial descarburante.
Estos resultados muestran que los aceros de alto contenido
de cromo pueden ser des carburados en condiciones económicamente permisibles.
Los primeros trabajos sobre el aumento del contenido de
carbono en el polvo de acero inoxidable para mejorar sus
propiedades datan de la década de los años 50.
La mayoría de los autores han optado por introducir el
carbono en el polvo de acero inoxidable mediante un proceso de mezcla. En este sentido, en 1956, se registra una patente inglesa [6] en la que se mezcla polvo de acero inoxidable
con 0,5-1,25 %C, con el fin de ampliar .suficientemente el
rango de temperaturas de sólido-líquido y facilitar el control
de temperaturas durante la sinterización. Posteriormente el
carbono es eliminado
mediante un tratamiento
de
descarburación. "Esta técnica solo es aplicable a la fabricación de filtros, los que debido a su porosidad permiten el
paso .del agente descarburante. En el mismo año, se publica
también una patente alemana [7], que señala la introducción
del carbono mediante un polvo finamente triturado de aleación eutéctica o polvos de diversos elementos en proporciones que den lugar a un eutéctico, con el fin de disminuir la
temperatura de sinterización. En 1990, otras patentes japonesas [8,9] ofrecen distintas expresiones matemáticas que
relacionan los contenidos de carbono y oxígeno, que garantizan la desoxidación durante la sinterización.
En 1991, en una patente japonesa [10] se plantea que.
esta relación C/O debe ser como mínimo equivalente o mayor a su relación atómica. Sin embargo, una alternativa a
esta relación fue ofrecida por los investigadores daneses
Larsen y Thorsen en un trabajo presentado en el Congreso
Mundial de Pulvimetalurgia de 1993 [Ref.11], donde con el
fin de elevar el poder reductor del hidrógeno durante la
sinterización, proponen mezclar el polvo de acero inoxidable
con 0,1 % de polvo de grafito,
En 1993, se publica patente japonesa [12], la cual propone enriquecer la atmósfera de hidrógeno que se utiliza durante la sinterización con un 0,01-5,0 % de un hidrocarburo
gaseoso (metano, acetileno u otro). De esta forma se disminuye la oxidación superficial del polvo y se mejora la
sinterización debido a la deposición de carbono atómico en
la superficie del polvo. Sin embargo, las condiciones de la
atomización del polvo y su prensado siguen siendo rigurosas en cuanto a temperaturas y presiones, respectivamente.
En 1996,1. Saunders publica una patente [13], en la cual
propone, para elevar los niveles de resistencia al desgaste y
a la corrosión, la adición de polvo de grafito libre a los polvos de acero inoxidable mediante mezclado. Sin embargo,
todas estas adiciones mecánicas de carbono, durante el mezclado, en una u otra proporción no permiten elevar la
microporosidad interna de la partícula, además de que no
ejercen ninguna influencia en las condiciones de la atomización.
El único trabajo encontrado donde el carbono se introduce en la fusión antes de la atomización es la patente, presentada en 1958, por Probst y Le Brasse [14]. Sin embargo, la
adición propuesta de 0,5-1,25 % C es baja para hacer disminuir apreciablemente la temperatura de fusión y no facilita la
molienda del polvo, puesto que con estos contenidos de
carbono el polvo es aún resistente a la fracturación. Como el
objetivo propuesto por los autores es efectuar, simultáneamente los procesos de sinterización, y descarburación (completa o casi completa) ha de garantizar una adecuada
interacción de la partícula con el agente descarburante. Por
ello, este método se aplica casi exclusivamente en la práctica
a la obtención de filtros, por lo que no se forma microporosidad
interna en la partícula.
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22, N° 2, 2002.
En la literatura especializada, son conocidas las altas exigencias tecnológicas necesarias para la obtención de polvos de acero inoxidable, así como para su prensado y
sinterización.
Para la obtención del polvo-por atomización se requieren
altas temperaturas. de colada (> 1700°C) Yaltas presiones
del fluido .que se utiliza. Por ejemplo, según el ASM Committee
on Production o/ Steel Powders [15]; cuando se emplea el
agua para obtener fracciones < 177 mrn (80 mesh) se emplean
presiones de 14 MPa.
Según Stevenson [16], para la compactación de los polvos de acero inoxidable a escala industrial se suelen emplear
presiones de compactación de 550-830 MPa y temperaturas
de sinterización entre 1120-1150 °C, aunque en algunos casos pueden superar los 1315 "C. También se emplean procesos más avanzados y complejos como la extrusión y
sinterización en caliente y el moldeo por inyección, entre
otros.
En el presente trabajo se caracterizan las dos operaciones fundamentales del proceso PARD: la atomización y el
recocido des carburante. Se explican las transformaciones que
experimenta el material en la descarburación. Se caracteriza
el polvo final obtenido y se exponen los beneficios y ventajas del proceso.
CHATARRA
59
FERROSILICIO
FERROCROMO
CH,
POLVO DE ACERO
INOXIDABLE
2. Proceso Tecnológico
El esquema de flujo tecnológico del proceso PARD se
muestra en la figura 1 [Ref.3]. En ésta se señalan los materiales que se recomiendan para preparar la fusión de la aleación
enriquecida de carbono. Tras la extracción del polvo húmedo de la cámara de atomización, éste se seca en una estufa a
100°C durante 1 hora. A continuación se tamiza, se extrae la
fracción más gruesa para someterla aun-proceso de molienda y el producto resultante se mezcla con la fracción más
fina. Este proceso se repite varias veces hasta conseguir la
homogeneización
del polvo. Posteriormente
el polvo
homogeneizado
se granula y en la etapa siguiente, se
descarbura. El polvo·descarburado y microporoso es finalmente triturado para deshacer los gránulos.
2.1 Atomización:
El polvo de hierro aleado se produce mediante la
atomización de la aleación fundida con agua a alta presión.
En la figura 2 se muestra el esquema de la instalación de
atomización del taller de pulvimetalurgia del CIME, la cual
también se utiliza para la fabricación de polvo de bronce [17].
Para la realización de la atomización se emplea un horno de
inducción o de arco eléctrico para la fusión de la chatarra de
acero inoxidable tipo 304, con adición de ferroaleaciones para
compensar las pérdidas de O: y Si, así como carbón vegetal
para saturar de carbono la aleación. La temperatura de colada
oscila entre 1550 y 1650 °C y el enfriamiento del polvo se
efectúa en agua (cámara húmeda).
Fig. 1. Diagrama de flujo de las distintas etapas del proceso PARD
para la obtención de polvos de acero inoxidable con estructura
microporosa.
8
al...
«
Polvo a la estufa
desecado
Fig. 2. Esquema de instalación para la atomización con gas o agua.
1-)Crisol de grafito, 2) Colector de metal líquido, 3) Horno de
inducción, 4) Inyector del fluido, 5) Cámara de atomización, 6)
Colector de polvo, 7) Bomba de émbolo, 8) Calentador de aire, 9)
Batería botellas de nitrógeno, 10) Extractor.
60
M. Martine: y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
En cuanto a la composición de la aleación se debe destacar
la importancia de los contenidos de silicio y manganeso en
el proceso, en particular en la descarburación. Teniendo en
cuenta las recomendaciones de Nyborg [18] el contenido de
silicio debe quedar entre 1,4 Y 1,5 %, ya que así se incrementa
la resistencia a la oxidación superficial de la partícula durante
la atomización. Además, el silicio, puesto que aumenta la
actividad del carbono, favorece la difusión durante la
descarburación. Por otra parte, el manganeso es un elemento
formador de carburos, que aunque de enlace más débil que
los carburos de cromo presentes en esta aleación, su
presencia influirá negativamente en la migración del carbono
hacia la interfase sólido-gas. Por esta razón en la fusión no
se compensan las pérdidas del manganeso, más bien se deja
oxidar. Los contenidos de fósforo y azufre, se mantienen
bajos, con valores de 0,03 y 0,007 %, respectivamente.
En la tabla 1 se ofrecen los parámetros y resultados de la
atomización [3]. Para caracterizar los polvos obtenidos
mediante
análisis granulométrico
y efectuar
las
determinaciones
de fluidez,
densidad
aparente
y
compresibilidad se emplearon las Normas ISO 4497:83, ISO
4490:78, ISO 3923/1:77, e ISO 3927:85, respectivamente.
Como se observa en la tabla 1, el rendimiento de la fracción
útil es bajo (67 %) aunque el tamaño medio de la partícula es
satisfactorio (83 um). Esto se debe a la relativamente baja
presión de soplado de 9 MPa (90 atm). Por otra parte, el
grado de oxidación (evaluado a través del brillo metálico) se
mantiene bajo, dado por el contenido de silicio. En la figura 3
se observa la morfología de la partícula del polvo atomizado.
La granulación del polvo se introduce con el fin de activar
la des carburación ya que ésta aumenta la superficie de
intercambio sólido-gas.
Tabla 1. Parámetros y resultados de la atomización
Parámetros
Tipo de fluido
Presión del fluido, MPa
Diámetro del chorro metálico, mm
Temperatura de colada, °C
Composición, %:
C
Cr
Ni
Si
Mn
Resultados
Tamaño medio de la fracción útil, um
Rendimiento de la fracción útil, %
Fluidez, siSO g
Densidad aparente, g/cnr'
Compresibilidad para 900 MPa, g/cm>
Morfología (ver figura 3)
H20
9
10
1600
4,30
1,43
0,87
18,74
8,0
83
67
57
2,58
5,25
Irregular,
, ligamentos,
. liso, brillo
metálico
Fig.3. Morfología del polvo atomizado, x 300.
La granulación se efectúa en un disco peletizador hasta
obtener pelets de diámetros entre 5-15 mm. Como aglomerante
se emplea alcohol polivinílico diluido aproximadamente al15
%, el que se elimina durante la descarburación entre 300 y 350
0e.
2.2 Descarburación.
Al efectuar la descarburación
no deben emplearse
temperaturas superiores a 950°C, puesto que se produce
cierta sinterización que obligará a una posterior molienda.
Esta molienda será engorrosa por la mayor ductibilidad que
adquiere el polvo al disminuir el contenido de carbono. Sin
embargo, esta temperatura es insuficiente para activar el flujo
de carbono a niveles suficientemente
económicos. Por
consiguiente, para resolver ambos problemas se aumenta
gradualmente la temperatura durante la descarburación. Dado
que al descender el contenido de carbono la temperatura de
fusión de la aleación se eleva, la sinterización se verá
dificultada.
El control del incremento gradual de temperatura se efectúa
de manera sencilla realizando la descarburación en forma
escalonada, elevando la temperatura cuando la velocidad de
des carburación disminuya y la temperatura de fusión lo
permita. Los incrementos de temperatura se efectúan en tres
etapas: la 1a 950°C, la II a 1050 °C y la ID alISO -c.
La velocidad de la des carburación depende, además de la
temperatura, del flujo de amoniaco disociado, ya que al
aumentar .éste la presión parcial de formación del metano
disminuye al ser evacuado constantemente, lo que estimula
la reacción (Frenkel, 1946) [Ref.2, 19]. Sin embargo, un exceso
de flujo dificultará la combinación del carbono del metal con
el hidrógeno gaseoso, puesto que no tendrán tiempo de
interactuar, retardando la descarburación. A medida que el'
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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22, N° 2, 2002.
contenido de carbono va disminuyendo, el diferencial de
concentración en la partícula va descendiendo, lo que
des acelera la reacción. Para contrarrestar esto, la presión
parcial de formación del metano debe bajarse, lo que se logra
incrementando
el flujo. Experimentalmente
han sido
determinados los valores óptimos de flujo para cada etapa:
en la 1 etapa el flujo debe ser de 1 m3/h, en la II etapa de 1,2
m3/h y en la III etapa de 1,4 m3/h [20].
El gas descarburante, debe ser sometido a un proceso
riguroso de desecación hasta niveles aproximados de - 30
"C de punto de rocío, para lo cual se hace pasar por una
columna de zeolita activada a 400°C durante 4 horas o algún
otro material desecante, igualmente activado. De lo contrario,
al disociarse a altas temperaturas las moléculas de agua del
gas, puede producirse la oxidación del polvo, afectando a
las etapas posteriores de prensado y sinterización. Una
importancia especial tiene la oxidación del cromo, debido a
que los óxidos de este metal no pueden ser descompuestos
con un recocido de reducción posterior.
Los momentos justos para efectuar los incrementos de
temperatura y flujo pueden ser determinados mediante los
modelos que se dan más abajo, los cuales fueron obtenidos
'experimentalmente a partir del modelo clásico de las reacciones
de primer orden [Ref.l9] y que fue citado por Filippov en
1975 para los fenómenos de descarburación [21]:
C f =C o e-kt
Se observa que las desviaciones de los modelos son
prácticamente despreciables.
Los modelos obtenidos, además de precisar cuándo es
necesario activar el proceso con los incrementos
de
temperatura y flujo, permiten también determinar, a partir del
contenido inicial de carbono, el tiempo de retención requerido
para alcanzar el carbono deseado.
En la figura 4 se muestra el régimen de descarburación
partiendo de un contenido inicial de carbono procedente de
la atomización de 4,3 %. En éste la relación de volumen de
gas/masa del polvo debe ser 3/1.Con los modelos planteados
se determinaron los tiempos de retención requeridos para
cada etapa resultando de 4, 10 y 6 h, respectivamente. De
este modo el contenido de carbono disminuye hasta 0,06 %
y aparece la microporosidad interna. La figura 5 permite
comparar (con respecto a la figura 3) la modificación
morfológica
que experimenta
la partícula durante la
descarburación. En ésta se destaca la alta y fina rugosidad
superficial que se origina.
T (De )
1150
1050
950
Cf-
i(
(1)
Co kt-
contenido de carbono después de la
descarburación, %;
contenido de carbono antes de la
descarburación, %;
constante de régimen que caracteriza
la velocidad del proceso;
tiempo,h;
10
4
43
Fig.4.
III
f
1
1
donde,
r
1I
3
2
03
,1\
1
0.06
fAD(m3 lit)
%c
Régimen de descarburación del polvo de acero inoxidable
18-8.
Para esto se empleó el programa de cómputo MMC30
disponible en el CIME. Mediante éste se obtuvieron los
valores de "k" para las tres etapas de la descarburación
quedando los modelos con sus respectivas desviaciones
"s" como sigue:
Cf= 4,27 exp (- 0,099.t) (s = 0,0026 % C)
(2)
donde, 4,27 es el contenido de carbono procedente de la
atomización.
IIEtapa
Cf= 2,87 exp( - 0,226t) (s = 0,0003 % C)
(3)
donde, 2,87 - contenido de carbono procedente de la 1
etapa de descarburación.
'ITIEtapa
C¡= 0,3 . exp( - 0,25t) (s = 0,0003 % C)
(4)
donde, 0,3 - contenido de carbono procedente de la 11
etapa de descarburación.
Fig.5. Morfología del polvo descarburizado, x 100.
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M. Martine: y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
En la figura 6 se muestra la transformación microestructural
que experimental la partícula de polvo. En la figura 6a se
muestra el polvo atomizado, antes de ser sometido a
des carburación,
en ésta se observa una estructura
ledeburítica con gran precipitación de carburas en una matriz
martensítica de agujas finas. En las partículas mayores como
la que se muestra en la figura, cuya sección transversal es de
aproximadamente 0,2 x 0,04 rnm, ocurre la formación de
carburas primarios gruesos cuyas longitudes alcanzan 0,010
mm. Mientras
que en las partículas
menores,
de
aproximadamente 0,016 rnm de espesor, no aparecen los
carburas primarios. En la microfotografía se observan hacia
el centro los carburas primarios gruesos, hacia la superficie
carburos finos y dispersos en la matriz martensítica. Estas
dimensiones distintas que pueden tomar los carburos están
ligadas a la velocidad de enfriamiento que experimenta la
partícula durante la atomización.
En la figura 6b se muestra la estructura final del polvo,
después de experimentar el proceso de descarburación
completo hasta niveles de carbono de alrededor de 0,06 %.
En ella se observa una estructura fundamentalmente
austenítica en la que aún se observan precipitados de carburo
Cr23C6 situados en los límites intergranulares [22], los que se
forman durante el enfriamiento lento desde los 1150 °C. Se
destaca el engrosamiento de los límites intergranulares que
se extienden definidamente hasta la superficie de la partícula,
debido a la presencia del carbono libre que difunde por el
límite intergranular hacia la superficie, a través del mecanismo
de Mott [20,23]. En la figura 6c se muestra la estructura antes
del revelado observándose la numerosa microporosidad
interna.
La figura 7a presenta el clifractograma del polvo atomizado
y reestructurado a 900 °C durante 1 hora en hidrógeno,
conteniendo 4,3 % C. En ésta se identifican los picos de las
fases carburo de cromo-hierro, carburo de manganeso y la
solución sólida austenítica [24] procedente de la martensita
que se observa en la figura 6a.
La figura 7b presenta el difractograma
del polvo
descarburado a 0,06 % e, mostrando los picos característicos
de la austenita [24].
2.3 Caracterización del polvo microporoso de acero
inoxidable.
En las tablas 2 y 3 se incluyen las características finales
del polvo. Al comparar los resultados hay que tener presente
que todas aquellas características
relacionadas con la
densidad están afectadas por la microporosidad existente en
el polvo.
La baja fluidez que presenta el polvo al compararlo con
los valores publicados en la literatura (entre 28 y 40 s/50g)
[15,16,25], se explica a partir de la alta rugosidad superficial
que adquieren
las partículas
de polvo durante la
descarburación.
Fig. 6. Transformación microestructural de la partícula de polvo
mediante el proceso PARD.
a) Microestructura antes de la descarburación, mostrando la matriz martensítica y los
carburos primarios (más gruesos hacia el centro de la partícula) x 1600.
b) Microestructura después de la descarburación (después del revelado con reactivo
Vilella), mostrando la matriz austenítica, con presencia de carburos aislados situados
en la frontera intergranular notablemente ensachada, x 1600.
e) Microestructura después de la descarburación (antes del revelado), mostrando
la intensa microporosidad interna x 1500
63
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22, N° 2, 2002.
La densidad aparente (2,48 g/cm') se encuentra dentro
del rango de valores (2,3 y 2,8 g/cm') que se encuentra en la
literatura[15,16,25].
29
37,74
39 58
4295
44 65
50,11
51,15
d
2,384
2,277
2,106
2 029
1,820
1,786
401
490
784
590
603
461
Fase
Mn,,c,
Mn,,c,
Mn
Cr,Fe
CrFe
Austenilll
(a)
2,106
(b)
26
dlIIFase
.55 67 ·2016
1013 Austenita
65,14 1,800 1 4841 Austenita
99,19 1,272
426 Austenita
I
1,7995
1,272
....
,
2.0757
.1
,,.
,."
J"
28
Fig.7. Análisis por difracción de rayos X.
a)
Polvo atomizado (4,6 %C);
b)
Polvo sometido a una descarburación
(O,06%C).
I
En el estudio de comprensibilidad realizado con el polvo
descarburizado,
se observó que para presiones
de
compactación, superiores a 450 MPa,el polvo es capaz de
compactarse sin necesidad de lubricante (estearato de cinc)
y, apartir de los 800 MPa se aprecia la aparición de
deformación plástica en el compacto. Sin embargo, para el
polvo atomizado y sometido a un recocido de restauración
estructural es necesario aplicar lubricante y presiones
superiores a 700 MPa (Tabla 1). Por otro lado, al comparar los
resultados numéricos (Tabla 3) se aprecia que la densidad en
verde de 5,341 g/cm', está muy por debajo del valor publicado,
6,4-6,8 g/cm? [Ref.15,16], esto se atribuye a la baja densidad
que posee el polvo debido a la microporosidad interna.
Para la realización del proceso PARD a escala industrial
se recomienda emplear un horno de inducción de 100 kg de
capacidad y un horno metódico de 200 kg en el espacio útil.
La altura de la cámara de calentamiento del horno de empuje
debe tener un tamaño de 150-180 mm para que garantice la
relación óptima entre el volumen-de gas yla masa de polvo
que debe ser de 3:1. La longitud del horno determina la
productividad del proceso, ya que al aumentar ésta puede
acelerarse el avance de las bandejas que contienen el polvo
granulado. En la figura 8 se muestra un ejemplo, con una
capacidad en el espacio útil (zona II) de 200 kg que equivale
a una producción anual de 60 toneladas. Este horno con un
consumo eléctrico de 100 kW, opera con temperaturas
máximas de trabajo por zona de: 1hasta 950°C, II hasta 1250
°C, III hasta 850°C.
completa
~N?+H,+C
Cilindro
~
Composición e uímica, %
Cr
C
S
Mn I Si I P
. 0,06
0,87 I 1,43 I 0,02
0,007
18,74
Composición granulométrica:
-180
-125
-100
-75
/.lm
+125
+37
+100
+ 75
27,49
20,49
%
18,53
24,90
Ni
8,0
224m
-37
Fig. 8. Horno metódico para la descarburación.
8,59
Tabla 3. Propiedades tecnológicas y físicas* del polvo
descarburizado.
Fluidez,
s/50g
56,6
* - Al
Densidad
aparente,
g/cm3
2,48
analizar la morfología
con superficies
Compresibilida
da600MPa,
f!!cm3
Lubricante
sin I con
5,09 I 5,341
se observa el predominio
rugosas y presencia de microporos.
hidráulico
Tl
Tabla 2. Composición química y granulométrica del polvo
descarburado.
Densidad
picnométrica,
g/cm3
7,30
de partículas irregulares,
En la tabla 4 se incluye el régimen de temperatura previsto
por zona de calentamiento para cada etapa de descarburación.
Tabla 4. Régimen de temperatura por zona de calentamiento
para cada etapa de descarburación.
Etapa
1
n
Terrperatura por zona
de calentamiento, °C
1
700
800
n
In
950
1050
600
700
64
M. Martine: y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
De acuerdo a los cálculos realizados, empleando este
tipo de horno la ganancia anual podría superar los 100.000
USD, lo que permitiría amortizar en breve plazo los gastos de
inversión y absorber las variaciones de precios del mercado
internacional.
Al analizar la tecnología propuesta en la figura 1 y
compararla con la fabricación convencional de polvos de
acero inoxidable se aprecian una serie de ventajas:
Permite emplear hornos de fusión de menor potencia,
debido a que el alto contenido de carbono reduce la
temperatura de fusión, lo cual implica menores consumos
energéticos y de refractarios (crisoles).
Admite el empleo de materias primas de alto carbono
disponibles en el mercado nacional y que son más
baratas en el mercado internacional, como por ejemplo,
el ferrocromo de alto carbono.
El uso de la instalación de atomización no limita el
rendimiento de la fracción útil, puesto que el polvo se
muele fácilmente debido a la fragilidad que adquiere por
cuanto se enriquece con carbono durante la fusión.
Debido al incremento de la microporosidad del polvo
durante el recocido, para la compactación se requieren
presiones de prensado más bajas, lo cual amplía las
posibilidades de la conformación y, por tanto, de la
capacidad de las prensas.
Mediante un control adecuado del proceso se pueden
obtener aleaéiones dentro de un amplio rango de
contenido de carbono, lo que permite emplearlo tanto
para obtener aceros inoxidables austeníticos y ferríticos,
como martensíticos.
La fabricación de piezas sinterizadas de acero inoxidable,
a partir del polvo previamente descarburado, no se limita
a la obtención de filtros sino que también se pueden
obtener piezas sinterizadas de formas diversas.
La descarburación genera subproductos reciclables
(hollín, metano) los cuales se pueden emplear en otros
procesos pulvimetalúrgicos.
La desventaja del procedimiento, es la introducción
necesaria del recocido de descarburación; sin embargo,. el
costo adicional que supone este paso intermedio, sobre el
costo total de producción de la tonelada.de polvo de acero
inoxidable, lo justifica de acuerdo a los precios del polvo en
el mercado internacional. En la tabla S se pueden apreciar las
diferencias entre la tecnología convencional y la propuesta.
3. Conclusiones
El proceso PARD permite la obtención de polvo de acero
inoxidable, del tipo 304, con características químicas, físicas
y tecnológicas comparables a los que se encuentran en la
literatura
y en correspondencia
con su estructura
microporosa.
Tabla 5. Comparación entre los procedimientos.
Indi caíores
Tempeniurade
atomización, °C
Presión del agua, M Pa
Rerdi miento de polvo útil,
% masa
M icroporosidad interna,
% en volumen
Presión de
can paclación, M Pa
Proca:li miento
convencí oral
Proca:lim iento
oroouesto
1650-1750
14
1550-1650
8-10
70
hasta 100
O
6-10
550-830
450-700
- La introducción del carbono en el metal durante la fusión
hasta niveles del orden de 4,3 %, garantiza:
• La formación posterior de la estructura microporosa
mediante un recocido bajo atmósfera descarburante.
• La fragilidad del poI vo atomizado permite una
reducción significativa de los costos debido a que se puede
conseguir un rendimiento del material del 100 % cuando se
muele la fracción no útil.
• Se reduce notablemente la temperatura de fusión, lo
que disminuye el consumo de energía y material refractario
de los crisoles.
• Se prescinde de materias primas de bajo carbono, lo
que permite el empleo de los recursos materiales de menor
costo.
- Se modeló matemáticamente el recocido de descarburación
escalonado de los polvos de acero inoxidable lo que permitió:
• Optirnizar el proceso de formación de la microporosidad
interna;
• Obtener con precisión de ± 0,0026 % el contenido de
carbono deseado;
• Determinar, de acuerdo al contenido de carbono inicial
de la aleación, los tiempos necesarios para activar el proceso
con los incrementos de temperatura y flujo.
La tecnología desarrollada para la obtención de polvos
microporosos
se acero inoxidable se optimiza con la
introducción de:
• Molienda de la fracción gruesa;
• Granulación del polvo;
• Ajuste del régimen escalonado de recocido de
descarburación para conseguir una reducción significativa
de los costos.
- La tecnología desarrollada presenta una serie de ventajas
como son la posibilidad de uso de materias primas nacionales
y la reducción de las exigencias tecnológicas para la obtención
y prensado de los polvos de acero inoxidable, lo que
acrecienta su sustentabilidad,
- El proceso PARD se recomienda no sólo para la obtención
de polvos de acero inoxidable, sino también para polvos de
acero aleado de bajo carbono, con el fin de elevar su
compresibilidad mediante la formación de microporosidad
interna.
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22, N° 2, 2002.
Agradecimientos
Los autores desean destacar la valiosa colaboración de
investigadores de diversos países que nos han ofrecido
desinteresadamente sus publicaciones. Un agradecimiento
especial al Dr. Juan A. Bas Carbonell, al Dr. César Molins y
su empresa AMES, S.A. por su inestimable ayuda en
información
y con el estudio
microscópico.
Un
reconocimiento a los investigadores y técnicos del CIME y
CENIM, así como a los estudiantes del ISPETP y de otras
instituciones
por su participación
en los trabajos
experimentales.
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