Existe un creciente interés en el uso de la tecnología de prensado isostático en caliente (HIP) para fabricar componentes de alto rendimiento, principalmente debido a su capacidad de producir piezas totalmente densas y con forma casi neta, incluidas geometrías grandes y complejas.
Por el contrario, las piezas de pulvimetalurgia convencionales suelen tener densidades inferiores al 95%, que suelen oscilar entre el 85% y el 93%, mientras que las piezas moldeadas por inyección de metal alcanzan densidades más altas, generalmente entre el 94% y el 99%.
Contenido
¿Qué es el prensado isostático en caliente?
El prensado isostático en caliente (HIP) es un proceso de fabricación que aplica simultáneamente alta temperatura (generalmente de 800 a 1350 °C) y alta presión (100–200 MPa) en todas las direcciones para densificar materiales en polvo o reducir la porosidad en piezas fundidas y piezas sinterizadas.
Historia del prensado isostático en caliente
El prensado isostático en caliente fue inventado en 1955 por Battelle Laboratories, quienes lo utilizaron para difundir la unión de materia prima nuclear. Hoy en día, el prensado isostático en caliente se utiliza ampliamente para densificar piezas de pulvimetalurgia y sinterizar cerámica.
Proceso de prensado isostático en caliente
Producción de polvo
El diámetro de las partículas de polvo utilizadas en el prensado isostático en caliente no debe ser ni demasiado grueso ni demasiado fino. El tamaño de partícula del polvo metálico suele ser de D50 (40-90 μm).
Polvo atomizado con gas Se utiliza con mayor frecuencia en HIP porque:
- forma esférica del polvo
- alta densidad de llenado de polvo
- rango estrecho de tamaño de partículas de polvo
- Alta pureza del polvo y bajo contenido de oxígeno
Fabricación de contenedores
El recipiente, o lata, utilizado para encapsular polvo metálico sufre una contracción de volumen significativa a medida que el material se consolida en su forma final.
Para mantener la estabilidad dimensional y permitir la deformación plástica durante esta reducción, el material de la lata debe poseer alta resistencia y buena ductilidad.
Por esta razón, el acero inoxidable y el acero con bajo contenido de carbono se utilizan comúnmente para las latas de encapsulación, ya que tienen una buena combinación de resistencia y ductilidad.
Llenado y desgasificación de polvo
Vierta el polvo en un recipiente con un espesor de pared de 2-3 mm. Caliéntelo a 300-500 °C.
Antes del prensado isostático en caliente, se desgasifica el polvo metálico contenido en el recipiente de acero. La desgasificación consiste en evacuar el recipiente mediante una bomba de vacío para desorber las moléculas contaminantes adsorbidas del polvo metálico.
Encapsulamiento.
Después de la desgasificación, la abertura del contenedor se cierra de forma plana y luego se sella mediante soldadura eléctrica, un proceso llamado encapsulamiento.
Proceso HIP
La lata sellada se calienta en una cámara de calentamiento y se presuriza con argón o nitrógeno. Finalmente, se retira el contenedor mediante mecanizado CNC o métodos químicos.
Temperaturas y presiones
La siguiente tabla muestra las temperaturas y presiones necesarias para los materiales comunes utilizados en el prensado isostático en caliente.
| Material | Temperatura/°C | Presión / MPa |
|---|---|---|
| Aleación de aluminio | 500 | 100 |
| Aleación de cobre | 800-950 | 100 |
| Acero inoxidable | 1150 | 100 |
| Nickel 718 | 1185 | 100 |
| Ti-6Al-4V | 950 | 100 |
| WC-Co | 1700 | 100 |
| Wolframio | 1350 | 100 |
| Berilio | 900 | 100 |
| Molibdeno | 1350 | 100 |
| Hierro puro | 950-1160 | 100 |
| El níquel puro | 1100-1280 | 100-140 |
Ventajas y desventajas del prensado isostático en caliente
Ventajas del prensado isostático en caliente
Buenas propiedades de tracción
Las propiedades de tracción de las piezas producidas mediante prensado isostático en caliente y sinterización son generalmente iguales o superiores a las obtenidas mediante los métodos tradicionales de fundición, forjado o laminado.
Flexibilidad de diseño
El proceso HIP puede producir piezas que no son posibles con los procesos de fabricación tradicionales, incluidas aquellas con formas tridimensionales complejas.
Reducir la soldadura
La HIP permite producir piezas completamente consolidadas, minimizando la necesidad de costosas uniones soldadas. Esto reduce el tiempo de producción y los costos generales de fabricación.
Ahorre costes de material
El HIP es un proceso de fabricación de forma casi neta con un alto aprovechamiento del material y sin necesidad de procesamiento secundario. En comparación con el mecanizado, este ahorra costes de material y reduce los costes de fabricación.
Densidad uniforme
La prensa isostática caliente aplica presión uniforme al polvo metálico desde todas las direcciones, lo que da como resultado una densidad y microestructura uniformes en todo el compacto verde.
Desventajas del prensado isostático en caliente
El prensado isostático en caliente tiene las ventajas mencionadas anteriormente, pero también tiene algunas desventajas que incluyen el alto costo del equipo, la cantidad de producción limitada y la lenta velocidad de procesamiento.
Alto costo del equipo
Los equipos HIP son costosos, por lo que requieren una gran inversión inicial.
Cantidad de producción limitada
El HIP suele ser adecuado para la producción de lotes pequeños.
Velocidad de procesamiento lenta
En comparación con otros métodos de formación de polvo, como los procesos tradicionales de pulvimetalurgia, el ciclo de producción de HIP suele ser más largo y la eficiencia de producción es menor.
Post-procesado
Las piezas producidas por HIP pueden requerir posprocesamiento para lograr tolerancias ajustadas. Esto incrementa el costo total y el tiempo de producción.
Limitación de tamaño de la parte A
El tamaño de la pieza está limitado por la capacidad del equipo de prensado isostático en caliente.
Aplicaciones del prensado isostático en caliente
Energía Nuclear
El prensado isostático en caliente tiene una amplia gama de aplicaciones en la fabricación de componentes de centrales nucleares (CN), como piezas de gran tamaño utilizadas en la fabricación de la vasija de presión del reactor (RPV).
Metalurgia de polvos
HIP se utiliza para densificar Metalurgia de polvos piezas sinterizadas y eliminar su porosidad residual.
Enlace de difusión
La unión por prensado isostático en caliente es una forma de enlace por difusión, en la que se aplican simultáneamente altas temperaturas y presiones para promover un rápido movimiento atómico. Esto permite que las superficies en estrecho contacto se unan en estado sólido, sin formar una fase líquida.
Cerámica
El HIP se utiliza en el procesamiento de cerámica para aumentar la densidad y mejorar las propiedades mecánicas, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alto rendimiento.
Casting
Las piezas fundidas a menudo producen microporos cuando el líquido a alta temperatura se solidifica a temperatura ambiente, lo que es la causa del agrietamiento por baja tensión o daño por fatiga.
El HIP puede eliminar los microporos en las piezas fundidas de metal y mejorar la vida útil por fatiga.
Máquina de prensado isostático en caliente
La prensa isostática en caliente consta principalmente de tres partes:
- Cuerpo de la cámara de presión
- Sistema de presión
- Sistema de calefacción
El área máxima de trabajo de una prensa isostática en caliente puede alcanzar los 2 metros de diámetro y los 4.2 metros de altura. El sistema de calentamiento suele utilizar una aleación de Fe-Ar-Al, tungsteno o grafito, lo que permite que el polvo alcance temperaturas de hasta 1350 °C, 1600 °C o incluso 2200 °C. Una prensa isostática en caliente utiliza gas a alta presión, generalmente argón o nitrógeno, para aplicar una presión hidrostática de 100 a 200 MPa al polvo.
Prensado isostático en frío vs. prensado isostático en caliente
La siguiente tabla muestra la diferencia entre el prensado isostático en caliente y prensado isostático en frío.
| Aspecto | Prensado isostático en frío (CIP) | Prensado isostático en caliente (HIP) |
|---|---|---|
| Temperatura | Temperatura ambiente | Alta temperatura (normalmente entre 800 y 1350 °C) |
| Medio de presión | Líquido (generalmente agua o aceite) | Gas (normalmente argón) |
| Rango de presión | 34.5–690 MPa | 100–200 MPa |
| Parte resultante | Compacto verde (requiere sinterización) | Completamente denso |
| Materiales procesados | Polvos de metal, cerámica y plástico | Principalmente metales, aleaciones, cerámicas. |
| Herramental: | Moldes flexibles (caucho o poliuretano) | Botes rígidos |
| Uso en producción | Lote pequeño o etapa de presinterización | Densificación final |
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre el prensado isostático en caliente y el prensado en caliente?
El prensado isostático en caliente utiliza presión de gas para aplicar presión de manera isostática (en todas las direcciones), mientras que prensado en caliente utiliza un punzón para aplicar presión uniaxial (en una dirección).
¿Qué es Sinter-HIP?
El sinterizado HIP se desarrolló a partir de la sinterización al vacío y el prensado isostático en caliente, y se utiliza principalmente para la sinterización de carburo cementado líquido. En el horno de sinterización HIP, la pieza se calienta primero a la temperatura de sinterización mediante métodos tradicionales, y se aplica una presión de 0.1 a 30 MPa durante la etapa de aislamiento.
Esto se debe a que hay un poco de líquido entre los polvos, lo que reduce la fricción, por lo que la presión no necesita ser demasiado alta para alcanzar la densificación completa de las piezas.