Las aleaciones de tungsteno están definitivamente en la lista de "materiales de pesadilla" de los ingenieros. Su alta densidad y dureza presentan importantes desafíos de procesamiento, lo que hace que cada paso parezca una dura batalla. ¿Cómo se puede transformar este difícil material de materia prima a un producto terminado con alta eficiencia?
¡No te preocupes, esta valiosísima "arma secreta" ya está aquí! Este artículo analizará el proceso desde el principio de la preparación de la materia prima, comparará las ventajas y desventajas de la pulvimetalurgia y la impresión 3D, detallará las técnicas principales de corte, esmerilado y corte de alambre, e introducirá una-tecnología de vanguardia que puede ayudarle a lograr el doble de resultados con la mitad del esfuerzo-impresión por extrusión de polvo (PEP), proporcionando una base sólida para su diseño y fabricación.
PARTE.01
Introducción
Las aleaciones de tungsteno, como material de aleación con tungsteno como componente principal (el contenido de tungsteno suele representar del 85 % al 99 %) y elementos añadidos como níquel, hierro, cobre, cobalto, molibdeno y cromo, desempeñan un papel indispensable en muchos campos de alta tecnología-como la industria nuclear, la industria militar y la atención médica debido a su densidad extremadamente alta (16,5 a 19,0 g/cm3), alto punto de fusión y excelente resistencia mecánica[1]. En el campo médico, las aleaciones de tungsteno se utilizan para fabricar componentes clave de equipos de radioterapia. Debido a sus características de alta densidad, pueden bloquear y dar forma a los rayos con precisión y son los principales materiales para fabricar colimadores y escudos contra la radiación[2]. Estas excelentes propiedades también plantean muchas dificultades al procesamiento y fabricación de aleaciones de tungsteno. Este artículo tiene como objetivo explorar de manera sistemática y profunda el proceso de preparación de piezas en bruto y los métodos de procesamiento comúnmente utilizados de piezas de aleación de tungsteno, y proporcionar una referencia valiosa para su fabricación de precisión.
PARTE.02
Proceso de preparación de piezas en bruto de aleación de tungsteno.
2.1 Tecnología de pulvimetalurgia
Las aleaciones de tungsteno son difíciles de fabricar utilizando procesos convencionales de preparación y fundición de aleaciones debido a su alta densidad, alto punto de fusión y alta dureza. La pulvimetalurgia es un método tradicional y ampliamente utilizado para preparar piezas en bruto de aleación de tungsteno. Sus procesos clave se muestran en la Figura 1, incluida la preparación, mezcla, formación y sinterización de polvo de tungsteno [3]. En el proceso de preparación del polvo de tungsteno, para garantizar la pureza del polvo de tungsteno, a menudo se utilizan procesos como la reducción con hidrógeno y la reducción de tungstato con amoníaco. Al mismo tiempo, el contenido de oxígeno, el tamaño de las partículas y la forma del polvo de tungsteno tienen un impacto significativo en el rendimiento final y la calidad de la aleación y deben controlarse estrictamente. Un contenido de oxígeno demasiado alto reducirá el rendimiento de la aleación, mientras que el tamaño y la forma de las partículas afectarán el efecto de los procesos posteriores de mezcla y formación. Por ejemplo, el polvo de tungsteno con un tamaño de partícula uniforme ayuda a mezclarse de manera más uniforme con otros polvos metálicos durante la mezcla, lo que garantiza la consistencia de la composición de la aleación. Durante el proceso de mezcla, es necesario garantizar que el tamaño de las distintas partículas de polvo metálico sea uniforme y que la proporción sea precisa. A menudo se utilizan agitación mecánica, molienda de bolas y otros métodos para lograr una mezcla precisa. Los métodos de conformación incluyen prensado isostático en frío, prensado con matriz, conformación por extrusión de polvo y conformación por inyección de polvo, etc. Estos métodos pueden producir piezas con formas complejas.
Figura 1 Procesos clave de pulvimetalurgia para piezas en bruto de aleación de tungsteno
El proceso de sinterización es la clave para garantizar que la aleación de tungsteno alcance la densidad, resistencia y otras propiedades requeridas. La sinterización en dos-pasos [4] se usa ampliamente: la etapa de pre-sinterización generalmente controla la temperatura a 1000-1200 grados. Dentro de este rango de temperatura, los metales de bajo-punto de fusión-, como el cobre y el hierro, alcanzarán un estado líquido y se someterán a una difusión en fase sólida-con las partículas de polvo de tungsteno circundantes, fijando la posición de las partículas de polvo de aleación de tungsteno y llenándolas uniformemente, logrando así una forma en blanco. La siguiente es la etapa de sinterización a alta-temperatura, donde se producen reacciones en fase sólida-y en fase líquida-entre las partículas de polvo, formando finalmente una estructura densa de aleación de tungsteno. El control de la temperatura y el tiempo de sinterización juega un papel decisivo en el rendimiento del producto. Si el tiempo de sinterización es demasiado largo, el tamaño del cristal de tungsteno aumentará, afectando la densidad y el rendimiento general de la aleación; si la temperatura es demasiado alta, provocará que los metales de bajo-punto de fusión-como el cobre y el hierro se volatilicen, lo que reducirá la densidad y la resistencia mecánica de la aleación. La temperatura de sinterización generalmente se controla en alrededor de 1400 grados, y la pre-sinterización y la sinterización a alta-temperatura generalmente se llevan a cabo en un entorno de vacío o gas inerte para reducir la oxidación y volatilización de aleaciones de bajo4punto de fusión-. Un proceso común es pre-precalentar primero la pieza en bruto de polvo de tungsteno formada a 1200 grados durante 1 hora en una atmósfera de hidrógeno para darle cierta resistencia y conductividad, y luego realizar una sinterización de autorresistencia utilizando el calor generado por la propia resistencia de la pieza en bruto para promover aún más la sinterización.
2.2 Proceso de fabricación aditiva
Los métodos tradicionales de pulvimetalurgia sólo pueden producir piezas en bruto con formas relativamente regulares. Para piezas de aleación de tungsteno con estructuras complejas, especialmente aquellas con cavidades complejas, aún se requiere un procesamiento complejo después de la formación de la pieza en bruto para finalmente cumplir con los requisitos de la pieza. Actualmente, no existen métodos eficaces de procesamiento y conformado para cavidades internas cerradas complejas, lo que limita el diseño de piezas de aleación de tungsteno. La tecnología de fabricación aditiva proporciona una nueva solución para el diseño y fabricación de piezas de aleación de tungsteno. Las tecnologías de fabricación aditiva de metales comúnmente utilizadas incluyen la fusión selectiva por láser (SLM), la estereoformación láser (LSF), la fabricación aditiva por arco eléctrico (WAAM), la fusión selectiva por láser en lecho de polvo (L-PBF) y la deposición de energía direccional por láser (L-DED) [5, 6]. En la Tabla 1 se muestra una comparación de las ventajas y desventajas de diferentes procesos de fabricación aditiva para fabricar piezas de aleación de tungsteno. SLM puede fabricar piezas con geometrías complejas, pero tiene problemas como superficie rugosa, gran tensión residual entre capas y tamaño de pieza limitado, y es adecuado para fabricar piezas pequeñas; LSF puede obtener una estructura fina, uniforme y densa, mejorar las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión de los materiales, pero cuando los parámetros del proceso no coinciden, es fácil que ocurran defectos como una mala fusión en la capa depositada; WAAM es adecuado para fabricar piezas estructurales aeroespaciales integradas a gran-escala, con una alta tasa de formación y alta densidad, pero la calidad de la superficie de las piezas formadas es deficiente. En la Figura 2 se muestra una pieza típica de aleación de tungsteno fabricada mediante tecnología de fabricación aditiva. En comparación con el método tradicional de pulvimetalurgia, la fabricación aditiva tiene ventajas obvias en la fabricación de piezas complejas de aleación de tungsteno. No solo puede preparar piezas con estructuras y cavidades complejas para cumplir con requisitos de diseño especiales, sino también realizar la deposición de materiales capa-por-capa, mejorar la utilización de materiales y reducir costos[7]. Tabla 1. Comparación de ventajas y desventajas de piezas de aleación de tungsteno fabricadas mediante diferentes procesos de fabricación aditiva
a) Cuadrícula anti-dispersión
b) Partes porosas
Figura 2. Piezas típicas de aleación de tungsteno fabricadas mediante tecnología de fabricación aditiva
2.3 Comparación y selección de procesos
La pulvimetalurgia y la fabricación aditiva son actualmente los dos métodos principales para fabricar piezas en bruto de aleación de tungsteno, cada uno con sus propias ventajas y desventajas en la preparación de piezas en bruto. En la Tabla 2 se muestra una comparación de los procesos de preparación de piezas en bruto de aleación de tungsteno. La pulvimetalurgia es relativamente más madura, produce materiales con mejor densidad y ofrece ventajas en una producción en masa estable. La fabricación aditiva es un proceso novedoso desarrollado en los últimos años, con diversas rutas de proceso derivadas, y que presenta ventajas en la fabricación de piezas estructurales con cavidades complejas.
Tabla 2. Comparación de procesos de preparación de piezas en bruto de aleación de tungsteno
Para lograr un mayor rendimiento integral, las piezas de aleación de tungsteno en-campos de vanguardia como el aeroespacial, la defensa, la industria nuclear, los equipos médicos y la electrónica tienden a tener características estructurales más complejas, incluidas paredes delgadas, superficies curvas y estructuras porosas, que los métodos tradicionales de pulvimetalurgia no pueden manejar. La producción directa de piezas de aleación de tungsteno puro de alta-densidad y sin defectos-mediante la fabricación aditiva aún enfrenta varios desafíos técnicos. La impresión por extrusión de polvo (PEP), una tecnología de impresión 3D indirecta de metal que combina impresión 3D y pulvimetalurgia, utiliza polvo de aleación de tungsteno con un aglutinante. Al polvo se le da forma utilizando equipos de impresión 3D y luego se post-mediante desunión y sinterización mediante pulvimetalurgia, lo que finalmente produce piezas estructurales de alta-densidad y alto-rendimiento. Esta tecnología proporciona una solución novedosa a las dificultades de mecanizar aleaciones de tungsteno y producir estructuras complejas. Sus características de formación a baja-temperatura y de fraguado a alta-temperatura resuelven eficazmente problemas como deformación, grietas y huecos que se encuentran fácilmente en otros procesos de impresión 3D de aleaciones de tungsteno.
PARTE.03
Mecanizado de piezas de aleación de tungsteno
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) conduce a una tasa de desgaste de la herramienta significativamente acelerada durante el mecanizado, lo que afecta la precisión del mecanizado y la vida útil de la herramienta. La vida útil de la herramienta y la eficiencia del mecanizado son factores clave a considerar en el mecanizado. Las aleaciones de tungsteno tienen una conductividad térmica relativamente baja y el calor generado durante el corte es difícil de disipar rápidamente. El filo trabaja a alta temperatura, lo que genera fácilmente estrés térmico, lo que provoca la deformación de la herramienta y un mayor desgaste [8]. Las virutas de aleación de tungsteno son granulares, lo que dificulta su eliminación. Suelen acumularse en la zona de corte, formando bordes de viruta, afectando la calidad superficial de las piezas mecanizadas, pudiendo además dañar la herramienta y la máquina herramienta. En la Tabla 3 se muestra una comparación de herramientas de corte y parámetros de proceso para piezas de aleación de tungsteno. En la práctica de la ingeniería, las herramientas PCBN son una de las mejores opciones. En la Figura 3 se muestran piezas típicas de aleación de tungsteno procesadas mediante corte. Tabla 3 Comparación de herramientas de corte y parámetros de proceso para piezas de aleación de tungsteno Figura 3 Piezas típicas de aleación de tungsteno procesadas mediante corte PARTE.04 Rectificado de piezas de aleación de tungsteno El rectificado, como método de micro-corte, es adecuado para procesar materiales de alta-dureza, como las aleaciones de tungsteno. El rectificado con muela se muestra en la Figura 4. La muela se compone principalmente de granos abrasivos, poros y aglutinantes en una proporción específica. Sus granos abrasivos tienen características de ángulo obtuso, generalmente en el rango de 90 grados a 120 grados. Durante el proceso de molienda de aleaciones de tungsteno, el material de molienda resultante es granular. Debido a su viscosidad y tenacidad relativamente bajas, las virutas son relativamente fáciles de eliminar y no obstruyen fácilmente los poros de la muela [9]. Por lo tanto, al rectificar aleaciones de tungsteno, se pueden utilizar muelas abrasivas con poros más grandes para mejorar la eficiencia del rectificado y la calidad del procesamiento. En la zona de molienda es fácil acumular calor, lo que puede provocar quemaduras. Para abordar eficazmente este problema, es necesario adoptar medidas de enfriamiento forzado de alta-presión y alto-flujo para eliminar a tiempo el calor generado durante el proceso de molienda y reducir la deformación térmica y el estrés térmico en el área de molienda. Por lo general, se seleccionan emulsiones a base de agua como fluidos de corte para garantizar que el efecto de enfriamiento alcance el mejor estado. La selección de los parámetros del proceso de rectificado para piezas de aleación de tungsteno se muestra en la Tabla 4. Figura 4 Diagrama esquemático de la muela abrasiva Tabla 4 Selección de parámetros del proceso de rectificado para piezas de aleación de tungsteno Las piezas de aleación de tungsteno puro o tungsteno-níquel-cobre tienen un magnetismo bajo. Para piezas de paredes delgadas-, es difícil fijarlas de manera confiable con mandriles electromagnéticos tradicionales. Para la sujeción se pueden considerar dispositivos de adsorción al vacío [10]. El dispositivo de posicionamiento por adsorción al vacío para piezas de aleación de tungsteno se muestra en la Figura 5. Figura 5. Diagrama esquemático del dispositivo de posicionamiento por adsorción al vacío para piezas de aleación de tungsteno
PARTE.05
Mecanizado por electroerosión por hilo de piezas de aleación de tungsteno
Las aleaciones de tungsteno tienen puntos de fusión elevados y una gran dureza, y se pueden mecanizar con herramientas de alta-dureza, como herramientas recubiertas, herramientas PVD y herramientas cerámicas. Sin embargo, estas herramientas experimentan un desgaste significativo, lo que dificulta mecanizar características como poros, hendiduras estrechas y agujeros de forma irregular utilizando estas herramientas tradicionales. El mecanizado por descarga eléctrica (EDM) por hilo es un proceso de mecanizado especial. Su principio básico es utilizar un alambre de electrodo de metal fino en movimiento continuo (generalmente alambre de cobre o molibdeno) para generar descargas de chispas pulsadas entre la pieza de trabajo y la pieza de trabajo. Las temperaturas generadas suelen ser de entre 8000 y 12000 grados, suficientes para fundir o incluso vaporizar el material de la superficie de la aleación de tungsteno, logrando así el corte de la pieza de trabajo. El movimiento relativo entre el alambre del electrodo y la pieza de trabajo permite que todo el proceso de corte forme la forma deseada en la superficie de la pieza de trabajo. La Figura 6 muestra el mecanizado de orificios de forma irregular en una pieza en bruto de aleación de tungsteno utilizando electroerosión por hilo. La electroerosión por hilo se utiliza para procesar piezas de aleación de tungsteno. La alta temperatura provoca un cambio en la fase cristalina de la superficie de la aleación de tungsteno durante el corte, lo que da como resultado una capa modificada que degrada las propiedades únicas de la aleación de tungsteno. Durante el procesamiento se emplea un método de "corte-uno-reparación-tres", reduciendo gradualmente la profundidad de corte y los parámetros de potencia de pulso para reparar la capa modificada.
Figura 6: Mecanizado de orificios irregulares en una pieza en bruto de aleación de tungsteno mediante electroerosión por hilo
PARTE.06
Conclusión Este artículo estudia y resume la preparación de piezas en bruto, los métodos de procesamiento comunes y las dificultades de procesamiento de piezas de precisión de aleación de tungsteno. En la preparación de piezas en bruto, la metalurgia de polvos es relativamente más madura, produce materiales con mejor densidad y ofrece ventajas en una producción en masa estable. La fabricación aditiva, un proceso relativamente nuevo desarrollado en los últimos años, ha generado varias rutas de proceso y tiene ventajas en la fabricación de piezas estructurales con cavidades complejas. En el corte, las herramientas PCBN tienen ventajas, ya que logran una mayor vida útil de la herramienta y reducen el impacto del desgaste de la herramienta en la precisión del mecanizado. La tecnología de rectificado es ventajosa para mecanizar superficies regulares, logrando una mayor calidad superficial. Para características de agujeros y ranuras, la electroerosión por hilo ofrece una alta eficiencia de procesamiento. El proceso de preparación de piezas en bruto antes mencionado, así como los métodos de corte, rectificado y corte de alambre, pueden mejorar eficazmente la calidad de fabricación y la eficiencia de producción de piezas de precisión de aleación de tungsteno, brindando soporte técnico para el desarrollo de industrias relacionadas.
