Proceso de obtención de polvos metálicos mediante atomización

Las técnicas de atomización permiten la obtención del polvo metálico mediante la pulverización del material en estado líquido; es decir, por el fraccionamiento en gotas del caldo metálico. Los diversos métodos de atomización existentes actualmente presentan una elevada productividad y son los procesos más empleados en la industria. Son aplicables para la producción de la mayoría de los polvos de metales, pero su uso no puede extenderse a materiales con un elevado punto de fusión ni a los materiales cerámicos.

La atomización de dos fluidos es la tecnología predominante y cuenta con más del 95% de la capacidad de atomización mundial. Consiste, esencialmente, en la desintegración en partículas finas de un chorro de metal líquido sobre el cual incide otro fluido que constituye el medio de atomización. Dentro de esta categoría se consideran dos tipos fundamentales de atomización que dependen del tipo de fluido empleado: la atomización con gas y atomización con gas. Ambos procesos de atomización permiten la producción de polvos con un amplio rango de tamaños de partícula y, dependiendo del tipo escogido, los polvos resultantes presentan diferentes geometrías.

En la atomización con gas se utilizan diferentes gases (usualmente gases inertes) como fluidos para romper el líquido metálico, el cual se desintegra en gotas por la acción del gas de atomización. Una de las ventajas de este método en el buen control del contenido de oxígeno que permite. Típicamente el polvo resultante es muy homogéneo y esférico. De esta manera, los polvos atomizados en gas tienen una capacidad de empaquetamiento alta y buena fluidez, lo cual les hace idóneos para ser empleados por las diferentes tecnologías de Fabricación Aditiva. No obstante, no son aptos para procesos de compactación en frío porque no permiten la formación de buenos contactos inter-partícula que den cohesión al compacto.

El proceso consiste principalmente en introducir el material a atomizar dentro de un crisol cerámico agujereado en su parte inferior. Mediante una varilla obturadora, se impide que se produzcan fugas de caldo durante el proceso de fusión, el cual se realiza típicamente mediante un horno de inducción. Cuando el líquido se encuentra a la temperatura deseada, se procede al levantamiento de dicha varilla. Mediante esta acción, el metal fluye y es capaz de entrar a la cámara de atomización. Por su parte, el gas a alta presión se expande y se acelera al pasar por la tobera que forman las piezas que componen el atomizador de gas. Cuando existe una gran cercanía existente entra las salidas del gas y del metal, se denomina que el atomizador es del tipo “flujo confinado” y los polvos obtenidos con éste pueden llegar a mostrar tamaños medios de partícula muy finos, a diferencia de los atomizadores “de caída libre” tan empleados industrialmente.

Una gran limitación del proceso de atomización con gas es que los polvos metálicos que se producen presentan distribuciones de tamaño de partícula anchos, lo cual repercute en que la cantidad de polvo dentro de un determinado rango sea bajo. Otra está ligada con el hecho de que sea común observar cierta presencia de pequeñas partículas (satélites) anexadas a la superficie de los polvos de mayor tamaño o cierta aglomeración de partículas. Este tipo de defectos morfológicos son causados por los flujos de recirculación del gas en el interior de la cámara de atomización y disminuyen las propiedades de empaquetamiento y fluidez de los polvos. La conjugación de experimentación y de simulación numérica mediante programas de Dinámica de Fluidos Computacionales es una herramienta idónea para buscar nuevos diseños optimizados de componentes (atomizadores de gas, buzas metálicas) que ayuden a mejorar la eficiencia de la atomización con gas o introducir sistemas adicionales (sistemas anti-satélites) que permitan obtener polvos más esféricos.

La atomización con agua, en cambio, utiliza una serie de chorros de agua a presión como fluido de atomización. El uso de agua aumenta la velocidad de enfriamiento de las gotas metálicas por lo que éstas no disponen de tiempo suficiente para adquirir una morfología esférica. Además, el agua las oxida superficialmente. En consecuencia, los polvos atomizados con agua tienden a mostrar formas irregulares, son duros, presentan un contenido de oxígeno y precisan de un ciclo de recocido. La capacidad de compactación en frío de los polvos es muy buena debido a que su morfología irregular proporciona un mayor número de contactos eficaces entre las partículas, lo que da lugar a una buena cohesión del compacto. Sin embargo, si se quiere atomizar metales o aleaciones altamente reactivos, la atomización con agua es inviable y la atomización en gas debe ser escogida. Las dimensiones de las unidades de atomización con agua suelen ser considerablemente menores a las destinadas para emplear gas.