Proceso de sinterización: tipos, ventajas y desventajas

Publicado el 12 abril, 2023 por Rodrigo Ricardo

Química

¿Qué es la sinterización?

La sinterización es cuando un material en polvo se convierte en un material sólido o poroso mediante un proceso que involucra presión y calentamiento del material en polvo sin licuefacción hasta que se genera un material sólido menos poroso. En el proceso de sinterización, el material en polvo se calienta por debajo del punto de fusión del material. La sinterización también se conoce como frittage y este proceso de fabricación se utiliza para cerámica, metales y plásticos.

El proceso de sinterización ocurre naturalmente en depósitos minerales y formaciones glaciales. Un material tendrá un punto de fusión y un punto de sinterización deseable. En el punto de sinterización, la cantidad de calor y presión es suficiente para reducir los espacios vacíos entre las partículas de material. Los materiales de alto punto de fusión como el molibdeno y el tungsteno se pueden utilizar en el proceso de sinterización.

Durante el proceso de sinterización, los átomos del material se difundirán a través de los límites de las partículas y se fusionarán en una pieza más grande de material. En el proceso de sinterización se produce una reacción de difusión. Habrá una difusión de las partículas para moverse o esparcirse desde áreas de alta concentración a áreas de menor concentración.

La sinterización es similar a lo que sucede cuando los cubitos de hielo se agrupan en un vaso de agua, lo que es causado por una diferencia de temperatura entre el hielo y el agua. Otro proceso similar a la sinterización es hacer bolas de nieve. La nieve en polvo se compacta para formar una bola de nieve sólida.

Bola de nieve formada por compactación de nieve en polvo en una bola

La licuefacción es un proceso en el que las partículas de un material se funden pasando por un cambio de fase de sólido-líquido para producir un material sólido más grande a partir de un material en polvo. La sinterización es diferente del proceso de licuefacción porque en el proceso de sinterización el material no cambia de estado físico. La licuefacción se usa cuando se combinan dos metales diferentes o se cambian las propiedades de los metales.

Proceso de sinterización

Las materias primas se utilizan para crear los polvos metálicos a través de un proceso de atomización. En el proceso de polvo de metal en polvo sinterizado, las partículas de metal se fusionan mediante un proceso térmico. El proceso de sinterización por pulvimetalurgia tiene los siguientes pasos.

Un molde se llena con un material de metal en polvo a temperatura ambiente o en un entorno calentado. La forma del material sinterizado en el molde se denomina cuerpo verde. Se aplica presión hasta que el polvo de metal se compacta y se le da la forma deseada.
- La cantidad de presión depende del material metálico y la densidad requerida del producto final.
Luego, el metal formado se retira del molde y se coloca en un horno de sinterización. Este horno de sinterización se ajustará a una cierta temperatura requerida para el material y la densidad deseada con un proceso térmico continuo y un entorno atmosférico controlado.
- La cantidad de tiempo requerido para el material en el horno depende de la aplicación del material.
- La contracción puede ocurrir con el material durante el proceso de sinterización.
El metal se retira del horno y se deja enfriar.

En el proceso de sinterización, las partículas se pueden combinar para formar materiales sólidos más grandes con las formas deseadas. El proceso de sinterización permite un mejor control sobre la formación del material y propiedades mecánicas mejoradas. Las siguientes propiedades mecánicas se mejorarán utilizando el proceso de sinterización.

Conductividad térmica
Conductividad eléctrica
Fuerza del material
Integridad del material
Naturaleza de la translucidez del material.

Metal Sinterizado

La sinterización de polvo metálico se puede realizar con la mayoría de los metales. Esta técnica se utiliza particularmente con metales puros en vacío. En el vacío no hay riesgo de contaminación superficial. Cuando se sinteriza un metal, se produce una reducción de la porosidad, lo que aumentará la resistencia mecánica del metal. El hierro sinterizado se produce utilizando polvo de hierro en vacío con un gas protector. En el proceso de sinterización, la densidad aumentará a medida que disminuya el volumen del material metálico. Las partículas de metal llenarán vacíos o áreas vacías a medida que los átomos de metal viajen a lo largo de los límites del cristal. La tensión superficial hará que las paredes de los poros se suavicen.

El carburo de tungsteno se produce mediante una sinterización en estado líquido. En la sinterización en estado líquido, al menos un material, pero no todos los materiales, está en estado líquido. Los polvos de metal sinterizado se utilizan en joyería, tuberías de calefacción, cojinetes y cartuchos de escopeta. Los siguientes son algunos ejemplos de metales que se pueden sinterizar.

El cobre y las aleaciones de cobre se utilizan para producir metales sinterizados.
El acero sinterizado se produce utilizando acero y aleaciones de acero.
El hierro en polvo se puede utilizar para producir hierro sinterizado.
El tantalio y el tungsteno son metales con puntos de fusión tan altos que la sinterización es una de las pocas opciones que se pueden utilizar para la fabricación.

La sinterización mejorará las propiedades mecánicas de los metales como la resistencia, la conductividad y la translucidez. Los metales magnéticos no perderán su naturaleza magnética en el proceso de sinterización como en la licuefacción. Muchos productos de metal se pueden producir mediante sinterización.

sinterizado de mineral de plomo

Cerámica sinterizada

Al sinterizar cerámica, el polvo de cerámica se moldea para formar el cuerpo verde de la cerámica. Después de la formación del cuerpo verde de baja densidad, el polvo cerámico se somete al proceso de sinterización. Este cuerpo verde se calienta a temperaturas por debajo del punto de fusión del material cerámico. La sinterización de cerámica se puede realizar con o sin el uso de presión. La sinterización del material cerámico reducirá la porosidad y mejorará las propiedades mecánicas del material cerámico de forma similar a la sinterización del metal. Se produce una reacción de difusión durante el proceso de sinterización, muy parecida a lo que sucede con los metales. Los siguientes materiales cerámicos se pueden utilizar en el proceso de fabricación de sinterización de cerámica.

Alúmina (Al2O3)

Zirconio (ZrO2)

Carburo de silicio (SiC)

Nitruro de silicio (Si3N4)

Otros tipos de sinterización

El proceso de sinterización no se limita a la cerámica y los metales. Se han desarrollado otros materiales y tipos de procesos de sinterización. Los siguientes tipos diferentes de sinterización se utilizan para fabricar productos sinterizados e incluso permiten sinterizar más materiales.

Sinterización de plástico
- Los materiales plásticos fabricados mediante sinterización de plástico se utilizan en unidades de filtración, controles de flujo de gas, filtros de inhaladores, materiales de embalaje e incluso tablas de snowboard.
Sinterización por microondas
- En la sinterización por microondas, el calor se genera dentro del material de sinterización a través de la superficie desde una fuente de calor externa. Este método de sinterización es mejor para cargas más pequeñas y permite un calentamiento más rápido. La sinterización por microondas es una buena técnica para producir granulometrías finas en biocerámicas.
Sinterización por plasma de chispa
- Este proceso de sinterización no utiliza plasma, por lo que el nombre de este tipo de sinterización es engañoso. Los nombres alternativos para la sinterización por chispa de plasma son técnica de sinterización asistida por campo (FAST), sinterización asistida por campo eléctrico (EFAS) y sinterización por corriente continua (DCS). La sinterización por chispa de plasma usa presión junto con un campo eléctrico para producir cerámica y polvos metálicos compactos con densidad mejorada.
Sinterización en fase líquida
- Los materiales de sinterización que son difíciles de sinterizar pueden usarse en el proceso de sinterización en fase líquida. Este tipo de proceso de sinterización utiliza un aditivo que se añade al material en polvo que se va a sinterizar. El aditivo permite la formación de una disposición de empaquetamiento más favorable de los granos de material sinterizado debido a la fusión del aditivo, que llena los poros del polvo. Esto permite el aplanamiento por contacto, que es similar a la difusión del límite de grano observada en la sinterización en estado sólido. En la sinterización en fase líquida, el aditivo debe fundirse antes de que se produzca la sinterización.

Ventajas y desventajas de la sinterización

Todos los métodos de fabricación tienen ventajas y desventajas. El proceso de sinterización no es diferente en ese sentido. Si bien los métodos de fabricación de sinterización tienen algunas desventajas, el número de ventajas supera a los negativos. El proceso de sinterización tiene las siguientes ventajas, que se suman a la conveniencia de este método de fabricación.

Se pueden obtener formas complejas utilizando el proceso de sinterización.
La sinterización permite una alta precisión dimensional.
El proceso de sinterización es una opción fiable y repetible para grandes necesidades de producción en masa.
El método de fabricación de sinterización es una tecnología ecológica. Hay bajo desperdicio de material, productos reciclables y buena eficiencia energética.
Un producto sinterizado tendrá amortiguación de vibraciones debido a la microporosidad de las piezas sinterizadas. Esta microporosidad producirá un efecto amortiguador durante las vibraciones.
Los productos sinterizados pesan entre un 5 % y un 25 % menos que las piezas forjadas idénticas. El motivo del peso reducido de los productos sinterizados se debe a la naturaleza microporosa del producto sinterizado.
Cuando una pieza se fabrica utilizando el proceso de sinterización, se obtiene un mayor nivel de pureza y uniformidad. Los niveles más altos de pureza y uniformidad se deben al proceso de fabricación simple de sinterización.
La sinterización permite un mayor control de la porosidad y niveles uniformes de porosidad en los materiales producidos.
Los metales con puntos de fusión altos se pueden fabricar mediante el proceso de sinterización, que calienta los metales por debajo del punto de fusión del metal.

El método de sinterización tiene un buen número de ventajas, que aumentan la popularidad de este método. El proceso de fabricación de sinterización no está exento de algunas desventajas. Las siguientes desventajas están asociadas con el proceso de sinterización.

La sinterización requiere una gran cantidad de material.
Hay un costo de capital inicial más alto para los fabricantes por usar el método de sinterización.
El tamaño de la cámara de sinterización es un factor limitante de los tamaños de material sinterizado que se pueden producir.

Incluso con el pequeño número de desventajas, la sinterización es un método de fabricación popular para la sinterización de metales y cerámica. Muchas piezas de metal se fabrican con metales sinterizados. Se crean varias cerámicas utilizando cerámica sinterizada.

Resumen de la lección

La sinterización es un proceso de fabricación que convierte los materiales porosos en sólidos menos porosos, cuando el material se somete a presión y calentamiento. Se produce una reacción de difusión durante el proceso de sinterización, que implica que las partículas del material de sinterización viajen a áreas de menor concentración, lo que hace que disminuya el tamaño de las áreas porosas. En el proceso de sinterización no hay licuefacción del material de sinterización porque la temperatura de sinterización está por debajo del punto de fusión del material de sinterización. Al polvo de metal o cerámica se le da la forma deseada, que se denomina cuerpo verde. Muchas propiedades mecánicas como la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, la resistencia, la integridad y la translucidez de un material se mejoran al fabricar un material con el proceso de sinterización.

Junto con la sinterización de cerámica y metal, existen otros tipos de sinterización, que incluyen la sinterización de plástico, microondas, plasma de chispa y fase líquida. El proceso de sinterización tiene las ventajas de mayor pureza, menor peso del producto final, mayor precisión de fabricación, capacidad para formar formas complejas y la capacidad de fabricar metales de alto punto de fusión. La sinterización es un método de fabricación fiable con alta repetibilidad. El proceso de sinterización es una tecnología verde, con bajo desperdicio de material, eficiencia energética y la capacidad de reciclar los productos. Los materiales sinterizados se pueden encontrar en muchos artículos, como cartuchos de escopeta, tablas de snowboard, tuberías de calefacción y biocerámicas.

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