El acero inoxidable tradicional generalmente se produce mediante tecnología de fundición o forjado, pero las piezas de acero inoxidable producidas por fundición son difíciles de cortar y tienen poca precisión dimensional, superficie rugosa, ciertas restricciones de forma, fácil producción de segregación de elementos, agujeros de contracción, agujeros de arena y otras deficiencias, y el acero inoxidable producido por forjado también tiene problemas como poca plasticidad, difícil deformación, baja utilización del material y alto costo, por lo que tienen muchas dificultades técnicas en la fabricación de piezas mecánicas.
Desde la década de 1970, el rápido desarrollo del método de atomización para producir polvos prealeados ha hecho posible preparar acero inoxidable pulvimetalúrgico de alto rendimiento [3]. El acero inoxidable pulvimetalúrgico tiene buenas propiedades mecánicas, físicas y químicas. En comparación con el acero inoxidable producido mediante la tecnología tradicional de fundición y forjado, tiene grandes ventajas en la producción y aplicación debido a su baja temperatura de sinterización, forma cercana a la neta, alta precisión dimensional, alta tasa de utilización de material, estructura organizativa buena y uniforme, etc. Ha sido ampliamente utilizado en maquinaria, industria química, construcción naval, automóvil, instrumentación y otras industrias.
Sin embargo, el polvo de acero inoxidable es un polvo prealeado con un alto contenido de aleación, que tiene una alta dureza y poca compresibilidad. Por lo tanto, el acero inoxidable producido mediante el proceso de moldeo tradicional tiene poros en el interior y su densidad suele ser baja. Su resistencia a la corrosión y sus propiedades mecánicas son generalmente inferiores a las del acero inoxidable denso correspondiente, lo que limita en gran medida la aplicación del acero inoxidable de pulvimetalurgia. Los estudios han demostrado que la densidad del acero inoxidable de pulvimetalurgia tiene una gran influencia en su resistencia a la corrosión y sus propiedades mecánicas. Casi todas las propiedades del acero inoxidable mejoran con el aumento de la densidad. Por lo tanto, cómo preparar acero inoxidable de pulvimetalurgia con alta densidad, buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión a bajo costo siempre ha sido un problema importante al que se enfrentan los trabajadores de la pulvimetalurgia.
El proceso básico de preparación del acero inoxidable mediante pulvimetalurgia es: polvo original → mezcla → conformado → sinterizado → posprocesamiento → productos de acero inoxidable. Entre ellos, el conformado y la sinterización son los dos eslabones más importantes en el proceso de preparación del acero inoxidable basado en la tecnología de pulvimetalurgia. Se presentan a continuación.
1.3.1 Formación de polvo de acero inoxidable
El conformado es el proceso de compactación del polvo en un bloque con una forma, tamaño, porosidad y resistencia determinadas en una matriz de acero. El acero inoxidable pertenece a los aceros de alta aleación. Sus partículas de polvo son duras y tienen poca compresibilidad. Por lo tanto, se requiere una mayor presión durante el conformado. Su presión de prensado es generalmente de alrededor de 500~800MPa. En el proceso de prensado de la muestra, para mejorar el rendimiento del prensado, a menudo se añaden lubricantes al polvo prealeado de acero inoxidable. Su función principal es reducir la fricción entre los polvos y entre los polvos y la pared de la matriz durante el proceso de prensado, reducir la presión de desmoldeo y aumentar la densidad de la hoja verde prensada. Los lubricantes de uso común incluyen ácido esteárico, estearato de zinc, estearato de litio y parafina. El moldeo por compresión a temperatura ambiente tiene altos requisitos para las prensas y los moldes debido a la alta presión de prensado. Los productos sinterizados tienen graves efectos posteriores elásticos y baja densidad, y solo pueden producir piezas con formas simples. Para cumplir con los requisitos más exigentes de densidad y propiedades mecánicas de los materiales de pulvimetalurgia en aplicaciones industriales, se han desarrollado una serie de procesos de conformado de alta densificación, como la compactación en caliente, el moldeo por inyección de metal y el moldeo por inyección de gel. Estos pueden mejorar significativamente la densidad del acero inoxidable y mejorar en gran medida sus propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, promoviendo así en gran medida el desarrollo de la tecnología de conformado de polvo de acero inoxidable. Se presentan a continuación.
(1) Compactación en caliente La compactación en caliente consiste en mezclar polvo y lubricante especial y calentarlos a una temperatura determinada, para luego prensarlos en un molde calentado. Es muy valorada porque puede producir piezas de pulvimetalurgia con alta densidad y buen rendimiento. En comparación con la compactación en frío, la compactación en caliente puede obtener una mayor densidad y resistencia del compacto con una menor presión de prensado, que puede aumentar en 0,15~0,3 g/cm3 y 50~100% respectivamente, y puede reducir el efecto posterior elástico. Los estudios han demostrado que la razón por la que el proceso de prensado en caliente puede aumentar la densidad del compacto verde es que, en primer lugar, el prensado en caliente reduce la tasa de endurecimiento por deformación del polvo, mejorando así la deformación plástica del polvo y aumentando así la densidad del compacto verde; En segundo lugar, debido al efecto del lubricante, cuando el punto de fusión del lubricante es alto, es semisólido a la temperatura de prensado en caliente, y su componente de fase líquida fluirá desde el límite de la partícula hacia los poros, aumentando así el contacto de las partículas, y cuando el punto de fusión del lubricante es bajo, se derretirá por completo y fluirá fuera del compacto, desempeñando el papel de lubricar la pared del molde, reduciendo así la presión de desmoldeo.
En el proceso de prensado en caliente de polvo de acero inoxidable 420, cuando la temperatura del polvo es de 90 °C y la temperatura del molde es de 120 °C, cuando la presión de prensado es de 784 MPa, la densidad compacta aumenta en 0,2 g/cm3 en comparación con el prensado en frío. Ke Yuanyuan et al. utilizaron el proceso de prensado en caliente para prensar polvo de acero inoxidable 316L a una presión de prensado de 700 MPa y una temperatura de 110 °C. En comparación con el prensado en frío, la densidad del compacto verde aumentó en 0,19 g/cm3. Después de la sinterización al vacío a 1150 °C, la densidad del cuerpo sinterizado también aumentó en 0,19 g/cm3. La resistencia a la tracción del compacto verde y del cuerpo sinterizado aumentó en un 50% y 34 MPa, respectivamente. Sin embargo, debido a la alta densidad de las piezas de acero inoxidable formadas mediante prensado en caliente, puede provocar que el polímero en los poros cerrados sea difícil de volatilizar después del agrietamiento, lo que provocará defectos durante la presinterización. Por lo tanto, la eliminación del polímero durante la presinterización es una cuestión clave en el prensado en caliente.
(2) Moldeo por inyección de metal (MIM) El moldeo por inyección de metal (MIM) es una tecnología de pulvimetalurgia cercana a la formación de mallas. Es un proceso de mezcla de polvo metálico o polvo prealeado con un aglutinante orgánico en una determinada proporción y bajo determinadas condiciones de proceso para formar un cuerpo viscoelástico uniforme, que luego se moldea por inyección mediante una máquina de moldeo por inyección, y luego se retira el aglutinante y finalmente se sinteriza en un producto de pulvimetalurgia de alto rendimiento. Es adecuado para producir piezas con formas complejas, y la precisión dimensional de las piezas de acero inoxidable producidas por él puede alcanzar ±0,3%~0,5%. Al mismo tiempo, puede superar las deficiencias de baja densidad y malas propiedades mecánicas de los productos sinterizados moldeados convencionales. Su densidad sinterizada puede alcanzar el 95%~99,5% de la densidad teórica, la resistencia a la tracción puede alcanzar más de 500MPa y el alargamiento puede alcanzar más del 45%.
El moldeo por inyección de metal tiene requisitos para el tamaño de partícula, forma de partícula, fluidez y densidad aparente del polvo de materia prima. El polvo original generalmente se prepara mediante niebla de agua o atomización con gas. Entre ellos, el polvo atomizado con agua tiene mejor formabilidad, mientras que el polvo atomizado con gas tiene mejores propiedades de sinterización y su polvo es más fino. Por lo tanto, a menudo se agrega una cierta cantidad de polvo atomizado con gas al polvo atomizado con agua para llenarlo en el espacio del polvo atomizado con agua para mejorar la densidad del cuerpo verde prensado y el cuerpo sinterizado. Los principales aglutinantes para el moldeo por inyección de metal son: aglutinantes a base de parafina, a base de aceite y a base de polímeros. El desengrasado de acero inoxidable incluye principalmente desengrasado térmico, desengrasado con solvente, desengrasado con sifón y desengrasado catalítico, entre los cuales el desengrasado térmico es el método más comúnmente utilizado. Después del moldeo por inyección, si el desengrasado no se realiza de forma limpia, el producto producirá fácilmente defectos como burbujas y grietas, e impurezas residuales como óxidos, carbono y carburos, que afectarán su rendimiento de sinterización. Generalmente, antes de los 200 °C, calentar lentamente a una velocidad de menos de 1 °C/min puede eliminar algunos componentes de bajo peso molecular como la parafina. Después de eliminar el 30%~40% del aglutinante, calentar rápidamente a 400~500 °C a una velocidad de 5 °C/min y mantener caliente puede descomponer los componentes poliméricos en el aglutinante, logrando así el propósito de eliminar completamente el aglutinante. La sinterización es el último proceso del moldeo por inyección de metal de acero inoxidable. Tiene una temperatura más alta que los productos de pulvimetalurgia tradicionales, lo que también favorece la mejora de la densidad del cuerpo sinterizado. Sung et al. Se mezclaron polvo de acero inoxidable 17-4PH y aglutinante en un mezclador planetario en una proporción de 60:40 durante 1 hora y luego se inyectaron a una presión de inyección de 300 kg/cm2. Después del desengrasado térmico, se sinterizaron en una atmósfera de hidrógeno. Cuando la temperatura de sinterización se aumentó de 900 °C a 1350 °C, la densidad relativa de la muestra aumentó del 61 % al 99 % y la resistencia a la tracción continuó aumentando a medida que los poros en el cuerpo sinterizado se esferoidizaban, se encogían y desaparecían. Sin embargo, debido al alto contenido de lubricante en el proceso de moldeo por inyección de metal, se requiere un proceso de desengrasado especial, lo que aumenta considerablemente el costo.
(3) Moldeo en gel
Los productos de acero inoxidable preparados mediante moldeo por compresión tradicional tienen propiedades mecánicas, de resistencia a la corrosión y de apariencia deficientes debido a su alta porosidad, y están limitados a la producción de piezas con formas simples. Aunque el moldeo por inyección de metal puede lograr la forma neta de piezas de acero inoxidable, es difícil lograr la preparación de piezas de gran tamaño y formas complejas. La fundición en gel es otra tecnología de formación de tamaño cercano al neto desarrollada después de la fundición por barbotina y el moldeo por inyección. Utiliza monómeros químicos poliméricos para formar materiales en polvo por polimerización. Es decir, después de preparar una suspensión concentrada con baja viscosidad y alto contenido de sólidos, se pueden preparar varias piezas con formas complejas, obteniendo así un cuerpo verde uniforme y de alta resistencia.
Utilizando la tecnología de fundición en gel, en las mejores condiciones de proceso, el cuerpo verde de acero inoxidable formado tiene un rendimiento excelente y una estructura uniforme. La resistencia a la flexión del cuerpo verde puede alcanzar los 38 MPa, la densidad relativa del cuerpo sinterizado puede alcanzar el 95% y el límite elástico puede alcanzar los 160 MPa. También puede formar un cuerpo verde de acero inoxidable de gran tamaño con formas complejas. Utilizando la tecnología de fundición en gel, se utilizan agar natural y ácido poliacrílico como gel y dispersante respectivamente. En las mejores condiciones de proceso, la suspensión formada se puede sinterizar para preparar productos de acero inoxidable 316L con formas complejas, y el límite elástico del cuerpo sinterizado puede alcanzar los 138 MPa. Sin embargo, al preparar polvo metálico de acero inoxidable, debido a su gran diámetro y densidad de partículas, es fácil que se precipite en la suspensión, lo que conduce a la coagulación de la suspensión y al flujo de dilatante, lo que dificulta la preparación de una suspensión de alta concentración. Además, después de que la suspensión se gelifica formando una pieza en bruto, se producirán problemas como deformación, alabeo, carga y descarga y transporte.
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Relleno por inmersión y galvanoplastia de piezas fundidas y de pulvimetalurgia
Introducción al principio básico de la sinterización