Metallurgia delle polveri: tecnologia in costante sviluppo per la produzione di componenti industrialipp p p mp
Alberto Molinari
5 maggio 2008
Descrizione della tecnologia: il processo convenzionale
Le operazioni secondarie
Lo stadio “decisivo” del processo: l la pressatura
L’evoluzione del materiale mentre si produce il pezzo
I fenomeni metallurgici che caratterizzano il processo
Compattazione Sinterizzazione
Non si raggiunge la densità teoricala densità teorica
Inizio della resistenza alla densificazionealla densificazione
Aumenta la densità(deformazione plastica)
Si forma il legame metallico(diffusione) (ossido-riduzione)
Caratteristica peculiare dei sinterizzatisinterizzati
densità - porosità
acciaio 6.7 g/cm3
acciaio 7 1 g/cm3 acciaio 7 5 g/cm3acciaio 7.1 g/cm3 acciaio 7.5 g/cm3
Le proprietà meccaniche e le conseguenti applicazioni
1100
ingranaggi a denti diritti ed elicoidali
1000
A800
900
Pa
700YS,M
P
ingranaggi conici e spiroconici
500
600
AA
400
500
10 20 30 40 50 60 70E,J
pulegge
componenti per pompe olio
componenti per ss i compressori
frigoriferi
leve
gruppi saldati
componenti per impieghi magneticiimpieghi magnetici
componenti di forma complessa
filtri
La porosità come elemento funzionale
i tti cuscinetti autolubrificanti
Perché si usano i sinterizzati ?
Alb t i ss f i ifAlbero a eccentrico per compressore per frigorifero.
Da ghisa lavorata di macchinaa saldatura dell’eccentrico sinterizzato su albero da tubo(riduzione costo e peso)( p )
Leva per dispositivo di sollevamento Leva per d spos t vo d sollevamento per trattore.
Da acciaio forgiato lavorato di macchinaa saldatura a proiezione di due componenti sinterizzati(riduzione costo)
Impulsatore magnetico per accensione elettronica dell’auto
Da saldatura e ribaditura di 5 pezzi torniti, una piastra tranciata e un sinterizzato a saldatura di due pezzi sinterizzati tra loro con due pezzi ribaditi(riduzione costi)
Albero a camme con ingranaggio della distribuzione per falciatrice da giardino
Da ghisa lavorata di macchina ld t i i d ll’i i d ll d i t i t ( i i Ni C )a saldatura a proiezione dell’ingranaggio e delle due camme sinterizzate (acciaio Ni-Cu)
(riduzione costo)
Puleggia della distribuzione per autovettura
Da ghisaDa ghisaa due pezzi sinterizzati (acciaio al rame) assemblati(riduzione costo e migliore finitura superficiale)
Mozzo scorrevole per cambio manuale
Da barra di acciaio lavorata di macchinaa sinterizzato (acciaio al Cu-P) (riduzione costo)
Settore dentato per riduttore in un condizionatore
Da settore in lamiera tranciata (due pezzi) e mozzo in lega di Al pressocolata, calettati i t i t i i i l ta sinterizzato in acciaio legato
(riduzione costo)
Ingranaggio con pignone per riduttore in un condizionatore
Da lamiera tranciata (due pezzi) e pignone lavorato di macchinaa pezzo unico in acciaio al Ni-Cu-Mo sinterizzato(riduzione costo e comportamento autolubrificante))
Disco di turbolenza per i bruciatori di combustibili liquidi
Da lamiera tranciata, piegata e fresataa sinterizzato in acciaio a basso carbonio (dopo modifica del disegno)(riduzione costo)
L’approccio per l’ottimizzazione
1. Ogni pezzo / dispositivo è concepito per svolgere una funzione rispettando delle specifiche di costo, p ppeso, ingombro, ecc.
2. La funzione è la sintesi di: progetto, materiale, processo tecnologicoprocesso tecnologico
3. Materiale, progetto e processo tecnologico devono essere concepiti contestualmentep
4. Progettista, tecnologo dei materiali e tecnologo di processo devono collaborare fin dall’inizio
5. Nessuna soluzione tecnologica deve essere esclusa a priori
6. La soluzione più conservativa non sempre è quella ottimale
7 Il materiale deve ricominciare a svolgere il ruolo 7. Il materiale deve ricominciare a svolgere il ruolo che ha svolto in passato nel supporto all’innovazione tecnologica
Dove si impiegano principalmente i sinterizzati ?
Sospensioni e Freni
Motore
Sistema di ScappamentoTrasmissione
Possibili sviluppi
Aumento delle àproprietà
meccaniche
Aumento delle proprietà meccaniche
1100
1000
1100
Proprietà simili al forgiato
A
900
a
f g
- Sviluppo di nuovi materiali- Modifica della pressatura- Modifica della sinterizzazione700
800
YS,M
Pa
- Trattamenti termici e superficiali- Lavorazioni meccaniche superficiali600 processoprocesso
standardstandard
AA
400
500standardstandard
10 20 30 40 50 60 70E,J
Modifica della pressatura
Warm Compaction High Velocity Compaction
Modifica della sinterizzazione
Sinterizzazione ad alta temperatura
Modifica della sinterizzazione
SinterotempraFe-0.5%C-1.5%Cr
Sinterotempra
0.5 °C/sec
3 °C/secMartensite
0.5 C/secbainite superiore
Aumento delle proprietà: innovazione di
11001100110011001100
processo
1000
1100
AM1000
1100
AM1000
1100
AM
DDC
1000
1100
AM
DDCCrL
1000
1100
SHSHSinterotempraSinterotempra
A
900
a A
M
900
a A
A2NM
900
a A
A2NM
DDC900
a A
A2NM
DDC900
a
HTsHTs
SHSH
A
700
800
YS,M
Pa
A
700
800
YS,M
Pa
A
A2N700
800
YS,M
Pa
A
A2N700
800
YS,M
Pa
A
A2N700
800
YS,M
Pa
600
Y
AM600
Y
AM600
Y
AMDDC
600
Y
AMDDC
CrLCrL
600
Y
LTsLTs
PressaturaPressatura ad ad altaalta densitàdensitàCondizioni Condizioni
standardstandard
AA
400
500 AA
AM
400
500 AA
A2NAM
400
500 AA
A2NAM
400
500 AA
A2NAM
400
500LTsLTsstandardstandard
400
10 20 30 40 50 60 70E,J
400
10 20 30 40 50 60 70E,J
400
10 20 30 40 50 60 70E,J
400
10 20 30 40 50 60 70E,J
400
10 20 30 40 50 60 70E,J
Aumento delle proprietà: innovazione di processo e di materiale
C = cold compactionC cold compactionW = warm compactionL = 1120°CH = 1240 °C
Quenched and stress relieved
Quenched and stress relieved
3%Cr 3%Cr –– 0.5%Mo 0.5%Mo –– 0.35%C 0.35%C trattamento termicotrattamento termico
relieved
warm compactionQuenched and stress relieved
warm compacted and sintered at 1250°C
aumento Tsint.cold compacted and sintered at 1120°C
cold compacted and sintered at 1250°C
Aumento delle proprietà:Aumento delle proprietà:trattamenti superciali
3%Cr 3%Cr –– 0.5%Mo 0.5%Mo –– 0.2%C : cementazione0.2%C : cementazione
Tsint = 1120°C Tsint = 1240°C
Aumento delle proprietà:Aumento delle proprietàtrattamenti superficiali
1.5%Cr 1.5%Cr –– 0.2%Mo 0.2%Mo –– 0.6%C : nitrurazione ionica0.6%C : nitrurazione ionica
Aumento delle proprietà:lavorazioni meccaniche superficialip
La ricerca a Trento (sulla tecnologia convenzionale)
Sviluppo di materiale e processo per la produzione di componenti per l’i d t i t bili ti bi ll i i d l bil’industria automobilistica: biella, ingranaggio del cambio
Durata: tre anni
Collaborazioni industriali: Höganäs AB, TFM, Vacuum, 2Effe Eng.
Collaborazioni universitarie: Madrid Vienna KosiceCollaborazioni universitarie: Madrid, Vienna, Kosice
Personale coinvolto: Cinzia Menapace Lorena Maines Elena SantulianaPersonale coinvolto: Cinzia Menapace, Lorena Maines, Elena Santuliana
I processi “speciali” della Metallurgia delle Polveri
- Hot Isostatic Pressing- Sinteroforgiatura- Estrusione di polveri- Laminazione di polveri- Formatura senza pressione (tape casting, slip casting)
- Metal Injection Moulding
I d ti i t i La ricerca a Trento- Induction sintering- Spark Plasma Sintering
Selective laser sintering
La ricerca a Trento
5 progetti di ricerca10 progetti industriali- Selective laser sintering
- Selective laser melting- Electron beam sintering- Electron beam melting
p g
- Cinzia Mmenapace- Gloria Ischia, Lorena Maines, Mirco D’Incau
Luca Facchini Ivan Lonardelli Palloma Muterlle - Electron beam melting - Luca Facchini, Ivan Lonardelli, Palloma Muterlle, Ketner Demetrio, Enzo Castellan- Nerio Vicente- K4Sint, spin-off dell’Università di Trentop- laurandi
