Mecanismos y Fases de la Sinterización: Factores Clave del Proceso

Sinterización en Fase Vapor

En esta fase, la energía conductora (EC) es la diferencia de presión de vapor (PV). El mecanismo de transporte (MT) principal es la evaporación-condensación.

Se produce un transporte de materia desde la superficie de las partículas con radio de curvatura (RC) positivo (+) y alta presión de vapor (PV) hacia las regiones de contacto con radio de curvatura negativo (-) y baja presión de vapor (PV).

Una disminución en el tamaño de partícula implica un aumento en el radio de curvatura positivo (RC+), lo que incrementa la fuerza conductora para el transporte de materia.

Durante la sinterización en fase vapor, no tiene lugar una contracción significativa de la pieza ni una reducción apreciable de la porosidad total. Principalmente, cambia la forma de los poros (redondeamiento), lo cual, no obstante, tiene influencia sobre las propiedades finales del material.

Sinterización en Estado Sólido

El mecanismo de transporte (MT) predominante es la difusión, que puede ser:

• Difusión superficial
• Difusión en volumen (a través de la red cristalina)
• Difusión intergranular (a lo largo de los límites de grano)

La energía conductora (EC) es el exceso de vacantes bajo superficies curvas o la energía asociada a los límites de grano.

El proceso está controlado por la difusión, siendo fuertemente influenciado por la temperatura (Tª) y el tamaño de partícula inicial.

• Un aumento de la temperatura (Tª) acelera los cambios microestructurales que ocurren durante la sinterización.
• Una disminución del tamaño de partícula aumenta la velocidad del proceso y permite, en general, reducir la temperatura (Tª) necesaria para alcanzar una densidad dada.

La uniformidad, el tamaño y la distribución de las partículas iniciales son de importancia crítica para las propiedades finales del material sinterizado.

Crecimiento de Grano

Durante la sinterización en estado sólido, los granos tienden a crecer para reducir la energía total asociada a los límites de grano. Puede ocurrir un crecimiento anormal de grano (crecimiento rápido y selectivo de algunos granos a expensas de otros), lo cual es perjudicial porque puede llevar a que los poros queden atrapados dentro de los granos grandes, dificultando su eliminación y la densificación final.

El control del crecimiento de grano se puede lograr mediante la adición controlada de impurezas (dopantes) que segregan en los límites de grano y dificultan su movimiento.

Sinterización en Fase Líquida (LPS)

El mecanismo de transporte (MT) puede ser el flujo viscoso del líquido o la difusión de átomos del sólido a través de la fase líquida.

La energía conductora (EC) es el exceso de energía libre superficial asociado a la interfase sólido-vapor, que se reemplaza por interfases sólido-líquido y líquido-vapor de menor energía.

En la Sinterización en Fase Líquida (LPS), se requiere la presencia de una cantidad adecuada de líquido viscoso a la temperatura de sinterización. Este es el mecanismo principal para la densificación de muchos sistemas, como ciertos metales y aleaciones, cermets y materiales cerámicos como los basados en silicatos.

Condiciones necesarias:

• Debe existir una solubilidad apreciable del sólido en la fase líquida a la temperatura de sinterización.
• El líquido debe mojar adecuadamente las partículas sólidas.

Control del Proceso

El proceso está controlado principalmente por factores como:

• Tamaño de partícula del sólido.
• Viscosidad de la fase líquida.
• Tensión superficial del líquido y energías interfaciales.

Ventajas

Frente a la sinterización en estado sólido, la LPS ofrece generalmente:

• Aumento de la velocidad de sinterización.
• Disminución de la temperatura de sinterización requerida.
• Posibilidad de alcanzar una mayor densidad final.

Etapas del Proceso

La LPS ocurre típicamente en tres etapas superpuestas:

1. Reordenamiento: Al formarse la fase líquida, las fuerzas capilares reordenan las partículas sólidas buscando un empaquetamiento más denso. La densidad alcanzada en esta etapa depende de la cantidad de líquido, el tamaño de partícula y la mojabilidad.
2. Disolución-Precipitación: Las partículas sólidas más pequeñas (con mayor curvatura y, por tanto, mayor solubilidad) se disuelven en el líquido, y el material precipita sobre las partículas más grandes (menor solubilidad). Esto produce un gradiente de concentración que activa la difusión a través del líquido. El resultado es un engrosamiento de las partículas grandes a expensas de las pequeñas (fenómeno conocido como maduración de Ostwald) y la aproximación de los centros de las partículas, contribuyendo a la densificación.
3. Coalescencia o Sinterización en Fase Sólida: En la etapa final, con una cantidad reducida de líquido o cuando las partículas sólidas forman un esqueleto rígido, la densificación continúa por mecanismos similares a la sinterización en estado sólido (difusión en los contactos sólido-sólido), aunque a menudo de forma más lenta.

Factores Generales que Afectan el Proceso de Sinterización

Diversos factores influyen en la cinética y el resultado final de cualquier proceso de sinterización:

• Densidad en verde: Una mayor densidad inicial (mejor compactación del polvo) generalmente conduce a una mayor densidad final y requiere menores tiempos o temperaturas de sinterización.
• Uniformidad de la microestructura en verde: Una distribución homogénea de partículas y poros en la pieza compactada es crucial para obtener una microestructura final uniforme y evitar defectos.
• Distribución de tamaño de partícula: Se prefieren distribuciones de tamaño estrechas, ya que las distribuciones amplias tienden a favorecer el crecimiento anormal de grano.
• Temperatura (Tª): Es uno de los parámetros más influyentes. Un aumento de la temperatura mejora drásticamente la cinética de sinterización al acelerar los mecanismos de transporte atómico (difusión, flujo viscoso).
• Atmósfera de Sinterización: Es un factor crítico que puede:
  • Influir en la química superficial de las partículas.
  • Mejorar o inhibir la difusividad de las especies atómicas que controlan la velocidad del proceso.
  • Favorecer o suprimir el crecimiento de grano.
  • Afectar la solubilidad del gas de la atmósfera en el sólido, lo que puede influir en la eliminación final de la porosidad.
• Impurezas y Aditivos:
  • Aditivos de sinterización: Son añadidos intencionadamente en pequeñas cantidades para activar o controlar el proceso (p. ej., para formar una fase líquida transitoria o permanente en LPS, o para controlar el crecimiento de grano en estado sólido).
  • Impurezas: La presencia no intencionada de impurezas puede tener efectos tanto beneficiosos como perjudiciales. Pueden formar eutécticos de baja temperatura de fusión, mejorando la cinética a bajas concentraciones, pero también pueden segregarse en los límites de grano o formar fases secundarias indeseadas.
• Tamaño de partícula inicial:
  • Un menor tamaño de partícula implica una mayor área superficial inicial, lo que aumenta la fuerza motriz termodinámica para la sinterización.
  • Sin embargo, en la práctica, el uso de partículas excesivamente finas presenta problemas de manejo, formación de aglomerados y puede llevar a una sinterización diferencial.
  • Durante el calentamiento, los aglomerados (grupos de partículas fuertemente unidas) tienden a densificarse internamente antes de sinterizar con las partículas grandes circundantes. Esto puede crear poros inter-aglomerado grandes y estables, que son muy difíciles de eliminar en etapas posteriores del proceso.