La sinterización por plasma de chispa (SPS), también conocida como tecnología de sinterización asistida por campo (FAST), es una tecnología moderna sinterización Técnica. Este método ha revolucionado la forma en que los materiales en polvo se compactan para formar sólidos densos. El SPS destaca no solo por la rápida producción de materiales densos, sino también por la producción de productos con microestructuras finas.
Los informes de mercado de Lucintel del año pasado estimaron que el tamaño del mercado de SPS alcanzaría los 1.83 millones de dólares para 2030, con una previsión de crecimiento de aproximadamente el 6.2 % anual durante seis años, de 6 a 2024. El mercado de la sinterización por plasma por chispa desempeña un papel fundamental en las industrias que priorizan la conductividad, la resistencia y la estabilidad térmica. Analizará estas industrias en una sección posterior.
Contenido
¿Qué es la sinterización por plasma por chispa?
La sinterización por plasma de chispa aplica de miles a decenas de miles de amperios de corriente continua (CC) pulsada, junto con presión uniaxial, para densificar materiales en polvo. La sinterización por plasma de chispa (SPS) no depende del calor externo, sino que genera calor internamente. Este proceso se realiza mediante el paso de una corriente eléctrica a través del material o del entorno. Esto se traduce en velocidades de calentamiento más rápidas, una densificación más rápida y temperaturas de sinterización más bajas.
El SPS es único gracias a su capacidad para sinterizar materiales a mayor velocidad, conservando las propiedades intrínsecas del polvo y una estructura de grano más fina. Gracias a la eficiencia de esta técnica, sumada a los avances en la ciencia de los materiales, ha aumentado su demanda en todas las industrias.
Proceso de sinterización por plasma de chispa
El proceso de sinterización por plasma por chispa se realiza generalmente al vacío o en un entorno con atmósfera controlada. Esto se realiza para garantizar la pureza y prevenir la oxidación. El proceso SPS generalmente consta de cuatro etapas principales.
Eliminación de gas o creación de vacío
Primero, se coloca el material en polvo en un conjunto de grafito compuesto por una matriz y dos punzones (que actúa como elemento calefactor al circular la corriente). Se extrae el gas de la cámara de vacío donde se encuentran la matriz y los punzones mediante una bomba rotatoria de vacío y difusión. El aire se bombea para alcanzar una presión de aproximadamente 5-10 x 10-3 Pensilvania.
Aplicación de presión.
El conjunto de grafito se somete a presión uniaxial mediante los electrodos superior e inferior. La presión aplicada es de hasta 150 MPa y la temperatura es de aproximadamente 2500oC. Esto garantiza una rápida densificación de los materiales en un período de tiempo más corto, una porosidad minimizada, un menor crecimiento del grano y la formación de una estructura uniforme.
Calentamiento de julios
La corriente continua (CC) aplicada a la matriz es pulsada, de bajo voltaje y alta intensidad. El efecto Joule genera calor rápidamente a una velocidad de 1000 K por minuto cuando la corriente pasa a través de la matriz y el polvo. Este calentamiento localizado facilita la rápida difusión y la unión de las partículas.
Estudios iniciales creían que la sinterización por plasma de chispa podía densificar rápidamente los polvos gracias a la generación de chispas o plasma entre ellos. Sin embargo, investigaciones recientes prácticamente han confirmado que el calentamiento por SPS se basa en el calor Joule generado por la gran resistencia en los puntos de contacto entre los polvos. Aunque no se producen chispas ni iones en el proceso de sinterización por plasma de chispa, se ha utilizado el nombre.
Enfriamiento
El sinter se deja enfriar en la cámara de la máquina SPS. Este proceso controla mejor la solidificación y previene la aparición de grietas.
Materiales para SPS
La sinterización por plasma de chispa permite procesar diversos materiales, especialmente materiales avanzados, gracias a su capacidad de densificación rápida a temperaturas relativamente bajas y plazos de entrega más cortos. A continuación, se detallan los principales tipos:
Cerámica
Con la cerámica, esta técnica proporciona estructuras de grano fino, preserva la resistencia mecánica y mejora propiedades como la dureza y la resistencia al desgaste.
- Zirconia (ZrO₂) para implantes dentales y herramientas de corte.
- Carburo de silicio (SiC) para componentes de motores de alta temperatura.
- Alúmina (Al₂O₃) para sustratos electrónicos y componentes aislantes.
Metal
Especialmente aquellos que son difíciles de procesar mediante métodos convencionales debido a sus altos puntos de fusión o reactividad.
- Titanio (Ti) y sus aleaciones para la industria aeroespacial y bioimplantes.
- Tungsteno (W) para aplicaciones de alta temperatura.
- Molibdeno (Mo) para piezas eléctricas y resistentes al calor.
composites
SPS fabrica compuestos con combinaciones únicas de propiedades como tenacidad y conductividad térmica, mediante sinterización controlada de múltiples fases.
- Compuestos de matriz metálica (por ejemplo, aluminio reforzado con partículas cerámicas).
- Compuestos de matriz cerámica (por ejemplo, compuestos de matriz de SiC reforzados con fibra de SiC).
Ventajas y desventajas de la sinterización por plasma de chispa.
El SPS ofrece ventajas notables, como plazos cortos, ahorro de energía, etc. Sin embargo, tiene ciertas limitaciones, como problemas de escalabilidad, falta de homogeneidad de temperatura, etc. Comprenderlas le ayudará a evaluar su idoneidad para aplicaciones específicas.
Los beneficios incluyen:
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Temperatura de sinterización más baja:SPS opera a temperaturas 400–500 °C más bajas que la sinterización en fase sólida tradicional y 100–200 °C más bajas que prensado en caliente.
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Tasa de calentamiento rápido:La velocidad de calentamiento puede alcanzar decenas a cientos de grados Celsius por minuto, reduciendo significativamente los ciclos térmicos.
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Tiempo de sinterización cortoLa sinterización se completa en solo 5 a 10 minutos, en comparación con varias horas en los métodos convencionales.
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Alta presión de sinterización:SPS aplica una presión que va desde decenas de MPa hasta 1 GPa, lo que permite que incluso materiales difíciles de sinterizar, como WC y SiC, se densifiquen fácilmente.
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Control de microestructura:El proceso permite un control preciso de la microestructura durante la sinterización.
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No requiere premoldeo:El polvo se puede compactar y sinterizar directamente en un solo paso, eliminando la necesidad de precompactación.
Las limitaciones incluyen:
- Alto costo de mantenimiento de equipos y máquinas de sinterización por plasma de chispa.
- Gestionar o mantener las condiciones de sinterización a escalas mayores puede ser un gran desafío.
- El SPS presenta un alto riesgo de microestructuras desiguales porque es difícil mantener una temperatura distribuida uniformemente dentro del corto tiempo de aumento.
Aplicaciones del SPS
SPS se utiliza ampliamente en diversas industrias, como la automotriz, la electrónica, etc.
- Industrias aeroespacial y automotriz: Se utilizan para fabricar componentes ligeros y de alta resistencia para aeronaves y vehículos.
- Electrónica: Fabricación de componentes electrónicos, especialmente aquellos utilizados en aplicaciones de alta temperatura.
- Almacen de energia: Se utiliza para producir componentes como electrodos para tecnologías de baterías de estado sólido.
- Implantes biomédicos:Producción de biomateriales compatibles e implantes quirúrgicos utilizados para aplicaciones ortopédicas y dentales.
- Herramientas de corte y materiales de alto rendimiento: SPS se utiliza para producir herramientas duras que son resistentes al desgaste y eficientes para taladrar, cortar y mecanizar.
SPS vs. Sinterización convencional
| Caracteristicas | Sinterización convencional | Sinterización por plasma con chispa (SPS) |
|---|---|---|
| Método de calentamiento | Utiliza métodos de calentamiento externos como hornos. | Utiliza CC pulsada para generar calor internamente. |
| Velocidad de calentamiento | 5 a 10°C por minuto (lento). | 100°C por minuto (rápido). |
| Requisito de temperatura | Necesita una temperatura externa alta. | Se necesita una temperatura de sinterización baja, con una reducción de aproximadamente el 20–30%. |
| Tiempo de Procesamiento | Tarda varias horas. | Toma minutos. |
| Propiedades materiales | Crecimiento significativo del grano y cambios en la microestructura, que podrían causar propiedades degradadas. | Grano fino con crecimiento mínimo, conserva propiedades intrínsecas y estructura uniforme. |
| Aplicaciones | Materiales tradicionales como cerámica y metales, adecuados para la tolerancia a altas temperaturas. | Materiales avanzados, composites, alta precisión y nanomateriales. |
Algunos compuestos de matriz cerámica son difíciles de densificar utilizando Sinterización por pulvimetalurgia convencional Debido a los fuertes enlaces covalentes en su estructura cristalina y a sus bajos coeficientes de autodifusión, la sinterización por plasma de chispa (SPS) ofrece un nuevo enfoque.
Preguntas Frecuentes
1. ¿Cuál es la diferencia entre SPS y prensado en caliente?
El SPS es un tipo de proceso de prensado en caliente. La principal diferencia entre el SPS y el prensado en caliente tradicional reside en el método de calentamiento. El SPS utiliza corriente continua para pasar intermitentemente a través de la compactación del polvo, mientras que el prensado en caliente utiliza calentamiento eléctrico tradicional.
2. ¿Es la sinterización por plasma con chispa adecuada para la producción en masa?
Sí, es adecuado para producciones a escala media y masiva, especialmente para piezas de tamaño pequeño o mediano.
3. ¿Cómo afecta el SPS al crecimiento del grano?
Aunque el SPS es conocido por reducir el crecimiento del grano debido al uso de temperaturas de sinterización más bajas y alta presión, también puede causar crecimiento del grano. Esto suele ocurrir en la etapa final del proceso de sinterización debido a tensiones, como altas temperaturas o cambios en los ciclos de presión.