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9 de enero de 2023

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La pulvimetalurgia se ha utilizado durante mucho tiempo para producir piezas porosas, como bronce autolubricante y cojinetes a base de hierro, mediante compactación y sinterización de polvo, donde la porosidad se puede llenar con un aceite lubricante para dar a los cojinetes porosos un bajo coeficiente de fricción ( COF) y alta resistencia al desgaste en una amplia gama de aplicaciones. Ahora, investigadores de la Universidad del Este de Finlandia y la Universidad de Ciencias Aplicadas de Karelia, ambas en Joensuu, Finlandia, han utilizado el moldeo por inyección de metal para producir piezas porosas de acero inoxidable 17-4 PH. Las partes porosas de 17-4 PH están impregnadas con cera de parafina para proporcionar las propiedades autolubricantes requeridas. Los investigadores, M Kultamaa, K Monkkonen, JJ Saarinen y M Suvanto, presentaron recientemente los resultados de su trabajo en un artículo publicado en Tribology International, vol. 174, 2022, que indicó que MIM puede producir nuevos tipos de componentes porosos de acero inoxidable autolubricantes con bajo COF.

Los autores informaron que el polvo de acero inoxidable poliMIM 17-4 PH martensítico endurecido por precipitación se mezcló con cloruro de sodio (NaCl), con una distribución de tamaño de 200–315 µm, como material contenedor de espacio. La cantidad de NaCl osciló entre 10, 20 y 30% en peso. También se añadió 1% en peso de cera de parafina a la mezcla para aumentar la fluidez de la materia prima poliMIM 17-4 PH que contenía altas cantidades añadidas de NaCl durante el moldeo por inyección. Los parámetros de moldeo por inyección para las piezas de prueba rectangulares con contenido de NaCl y una muestra de pasador cilíndrico sin NaCl se resumen en la Tabla 1. Como se puede ver en la tabla, las muestras con 30% en peso de NaCl requirieron una temperatura de moldeo más alta (210°C), así como un tiempo de moldeo más prolongado y una presión más alta para compensar la mayor viscosidad y la menor fluidez de la mezcla de materia prima. Los parámetros elegidos aseguraron el llenado completo de la cavidad del molde y, en consecuencia, una calidad de muestra uniforme entre las diferentes porosidades, que fue controlada por la cantidad de NaCl en las mezclas de materias primas.

El desaglomerado de las piezas moldeadas se llevó a cabo primero en un baño de agua destilada a 60 °C durante 20 h para eliminar el material contenedor de NaCl y la parte soluble en agua del material aglomerante en la materia prima original en polvo. A continuación, las partes marrones se secaron a 100 °C durante 2 h. Las porosidades basadas en la pérdida de masa (%) de las piezas moldeadas de acero inoxidable 17-4 PH antes y después del desaglomerado se dan en la Tabla 2.

Cualquier aglutinante residual se eliminó de las piezas durante la etapa de sinterización, que se realizó hasta 1350°C en una atmósfera de hidrógeno. La Fig. 1 muestra imágenes SEM de la sección transversal de la estructura de poros internos de las muestras porosas de acero inoxidable 17-4 PH sinterizado. La cantidad de material contenedor de espacio (NaCl) con 10 % en peso (a) resultó en 23,2 % de porosidad, con 20 % en peso (b), 38,4 % de porosidad; y, al 30% en peso (c), se observó una porosidad del 48,2%. Las porosidades de las partes porosas de MIM sinterizadas se calcularon a partir de las densidades y la densidad media de las muestras no porosas, 0% en peso, se consideró como punto de referencia. La densidad de la parafina utilizada fue de 0,90 g/cm3.

Las piezas de acero inoxidable 17-4 PH sinterizadas porosas resultantes se calentaron posteriormente a 100 °C y se sumergieron en cera de parafina fundida durante 15 minutos para permitir la impregnación de la porosidad abierta. El exceso de cera de parafina en la superficie de las muestras porosas impregnadas de 17-4 PH se limpió utilizando N-heptano para garantizar que la lubricación se produjera únicamente a partir de la parafina almacenada en la porosidad abierta de las muestras.

Los COF dinámicos de especímenes de acero inoxidable 17-4 PH porosos y no porosos se midieron en condiciones de lubricación con parafina y deslizamiento en seco. Se utilizaron pines cilíndricos no porosos de 17-4 PH con una punta esférica como compañeros de fricción estáticos. Cada prueba se llevó a cabo al menos tres veces y en diferentes especímenes de prueba para asegurar la repetibilidad y consistencia de los resultados. Se utilizaron cargas normales de 10 y 30 N con una distancia de deslizamiento de 100 m.

Los autores informaron que la parafina redujo significativamente el coeficiente de fricción deslizante para todas las muestras porosas de 17-4 PH sinterizadas bajo una carga normal de 10 N. Los valores de COF más bajos se registraron para las muestras con 20 % en peso y 30 % en peso de NaCl. Se encontró que la parafina impregnada en la porosidad abierta de las muestras porosas de 17-4 PH era la única responsable de la reducción de la fricción por deslizamiento. Los autores también observaron que, aunque la cantidad de parafina impregnada en las muestras porosas al 10 % en peso fue baja en comparación con las muestras al 20 % y al 30 % en peso, fue suficiente para reducir significativamente la fricción (COF = 0,15). Los valores de COF para muestras de 20 % en peso y 30 % en peso con una carga normal de 10 N fueron de aproximadamente 0,07. Se encontró que los valores de COF con una carga normal de 30 N para las muestras porosas sinterizadas de 17-4 PH impregnadas con parafina eran similares a los resultados con una carga de 10 N.

La conclusión de esta investigación mostró que una porosidad del 20 % en peso era lo mejor para una integridad estructural equilibrada del acero inoxidable 17-4 PH poroso sinterizado, con su capacidad para almacenar lubricación en su estructura porosa y su rendimiento de lubricación. Los autores esperan que esta investigación abra oportunidades para el desarrollo de nuevos tipos de aceros inoxidables autolubricantes producidos por moldeo por inyección de metal para aplicaciones de alto desgaste.

www.sciencedirect.com/journal/tribology-international

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