la metallurgia delle polveri-vicenza 18 maggio 2011

La metallurgia delle polveri e i pezzi meccanici:

aspetti innovativi e mercato

Gian Filippo Bocchini,

consulente in metallurgia delle polveri, Rapallo (GE) [email protected]

Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011

Elenco degli argomenti

Motivazioni per l’impiego della metallurgia delle polveri;

Cenni sugli sviluppi della tecnologia;

Panoramica delle applicazioni nel settore automobilistico;

Indicazioni di base sulla tecnologia.


Definizione e motivazioni per l’impiego

La tabella UNI 4878 definisce la metallurgia delle polveri come: “Parte della metallurgia, comprendente l’insieme delle tecniche e dei processi di produzione di polveri metalliche e di manufatti ottenuti utilizzando polveri metalliche come materia prima”. Per estensione, si includono nella fra quelli della metallurgia delle polveri anche dei materiali che, a rigore, non sono metalli, quali i carburi e gli ossidi. Le caratteristiche essenziali dei diversi processi inquadrabili nella metallurgia delle polveri (brevemente, mdp) sono di natura chimico-fisica o legate alla natura particellare della materia prima.


Tabella I - PERCHÉ LA METALLURGIA DELLE POLVERI?


PECULIARITÀ DEL PROCESSO

ESEMPI TIPICI

APPLICAZIONI SIGNIFICATIVE

ALLO STATO SOLIDO (NON “OCCORRE” FONDERE)

METALLI REFRATTARI

FILAMENTI PER LAMPADE A INCANDESCENZA

MESCOLANZE DI SOSTANZE “IMMISCIBILI”

STRUTTURE E MATERIALI COMPOSITI

METALLI DURI, FERRITI, CONTATTI ELETTRICI

MINIATURIZZAZIONE DELLE SEGREGAZIONI

MATRICI DI ACCIAIO CON FASE DISPERSA DURA

ACCIAI SUPERRAPIDI (PER UTENSILI E STAMPI)

POROSITÀ CONTROLLATA

DISTRIBUZIONE UNIFORME DI PARTICELLE DI “UGUALI” DIMENSIONI

FILTRI (DA POLVERI “SCIOLTE” O ADDENSATE E SINTERIZZATE)

POROSITÀ CONTROLLATA

COMPONENTI POROSI DA IMPREGNAZIONE IN OLIO

CUSCINETTI E PARTICOLARI AUTOLUBRIFICANTI

VERSATILITÀ DI FORMATURA(FORME COMPLICATE”)

COMPONENTI STRUTTURALI SENZA LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO

PARTICOLARI MECCANICI DIVERSI PER INDUSTRIE DI SERIE

Cenni sugli sviluppi della tecnologia


Lampada a incandescenza di fabbricazione Cruto, ~1883

Pur volendo riconoscere i meriti indubbi dell’autodidatta di Piossasco, l’invenzione della lampada a incandescenza è legata, però, al nome dell’ americano Thomas Alva Edison.Ovviamente, la notizia dell’invenzione di Edison si diffuse in tutto il mondo. Iniziarono allora le ricerche dei materiali e dei metodi di fabbricazione di nuovi tipi di filamenti, possibilmente meno delicati e più duraturi di quelli di carbone. Le esigenze funzionali del materiale, quali un alto punto di fusione, un'elevata resistenza alle alte temperature, una bassa fragilità sia a caldo che a freddo, e un’idonea resistività elettrica, indirizzarono gli studi verso metalli o leghe di tipo refrattario.



Fra tanti ricercatori illusi o delusi, quello che riuscì nell'intento fu un americano, il dr. WiIliam D. Coolidge, della GeneraI Electric Cornpany, il quale seppe rendere applicabili diversi processi di fabbricazione dei fili di tungsteno per filamenti; almeno uno dei processi allora messi a punto trova tuttora applicazione. Esso consiste nella pressatura a freddo di barre, a partire da polvere di tungsteno di granulometria minutissima, senza aggiunta di sostanze organiche o di leganti di tipo metallico. L'assenza di sostanze diverse dal metallo base rende possibile la sinterizzazione a temperature molto elevate, che permette di ottenere una resistenza meccanica delle barre molto alta, idonea alla deformazione a caldo senza rotture. Dopo martellatura a caldo, le barre sono nuovamente sinterizzate, per effetto del passaggio di corrente elettrica. Ultima operazione del ciclo è una martellatura rotante a caldo, fra 1600 e 1800 °C, che produce una struttura fibrosa e migliora la duttilità in modo sostanziale, tanto da rendere possibili delle severe deformazioni plastiche, fino alla produzione di fili piccolissimi e di lamine sottili.

Il brevetto di Coolidge per gli USA risale al 1909; da allora la fabbricazione dei filamenti di tungsteno è stata certamente migliorata, ma il processo base è rimasto praticamente invariato.

(Può essere interessante segnalare che Coolidgenon riuscì a brevettare il suo procedimento in Inghilterra poiché, secondo la Camera dei Lord, esso “non presentava elementi di novità”).



L'esigenza di eliminare le costosissime matrici di diamante che venivano impiegate per la trafilatura, ha portato allo sviluppo dei metalli duri. La scoperta di questi materiali compositi, in Germania, fu il risultato, di tutta una serie di ricerche, fatte nel periodo 1920-1925. Nel 1922 G. Schroter, ottenne un primo brevetto che includeva un'innovazione sostanziale per l’epoca: il metallo con funzione di legante era aggiunto in forma di polvere, prima dell'operazione di pressatura. I risultati di quella prima ricerca non ebbero un immediato seguito industriale, ma ciò non scoraggiò l'inventore, il quale, nel 1925, ottenne un altro brevetto, che era simile al primo per quanto riguarda la sequenza operativa, ma comprendeva l'aumento del tenore di legante fino al 20 %.

Tabella 1 – Ricostruzione cronologica delle tappe che portarono ai metalli duri in Europa


Anno Attività1900 Moissan studia i carburi e ne caratterizza le proprietà1910 Tentativi diversi di sostituire il diamante per le matrici di trafilatura dei filamenti

per lampade a incandescenza1914 Sinterizzazione, a 2500 °C, di polvere di carburo di tungsteno (3,1 ÷ 5% C); punto

di fusione del carburo 2750 °C. Brevetto di Voigtlander & Lohmann (Essen)1917 Alligazione dei metalli ferro, cromo e titanio al carburo di tungsteno. G. Fuchs e

A. Kopietz produssero delle leghe di elevata durezza; i metodi utilizzati erano sia la fusione sia la sinterizzazione sotto pressione.

1919 Costituzione del centro di ricerca Osram, diretto da F. Skaupy1920 Sperimentazione di Schroter: miscelazione di polvere di WC con circa 10%

di metalli del gruppo del ferro, e sinterizzazione dei miscugli a temperature prossimea quella di fusione del metallo. L’effetto legante migliore si ottenne con il cobalto.

18/03/1922 Domanda di brevetto; polvere di carburo di tungsteno ottenuta per carburazione con metano. Sinterizzazione con infiltrazione di ferro; Baumhauer, Fabbrica Osram, Berlino


27/07/1922 K. Schröter, in un rapporto interno del gruppo di studio Osram, descrive la sperimentazione fatta sulla sinterizzazione di WC con Fe, Co, Ni.

26/03/1923 Domanda di brevetto di K. Schröter presentata al dipartimento brevetti della Osram; metallo del gruppo del ferro, con funzione di legante, aggiunto sotto forma di polvere, prima dell'operazione di pressatura.

XII 1925 La società Krupp acquista il brevetto rilasciato due anni prima alla Osram17/12/1925 Friedr. Krupp presenta domanda di tutela del nome Widia (Wie Diamant)10/06/1926 Registrazione ufficiale del nome Widia

IV 1927 Presentazione del Widia alla fiera di Lipsia1928 La General Electric Corp. acquista il brevetto Krupp per gli Stati Uniti, fonda

la Carboloy, e inizia la produzione dei carburi cementati oltreoceano. La Krupp si riserva il diritto di esportazione dei metalli duri negli USA.

1930 Paul Schwarzkopf assume Richard Kieffer alla Metallwerk Plansee per lo sviluppo di metalli duri speciali


Verso la fine dello stesso decennio, cioè prima del 1930, furono introdotti i primi cuscinetti autolubrificanti, anch’essi prodotti peculiari della metallurgia delle polveri, nei quali il vantaggio funzionale determinante era – ed è –costituito dalla porosità di realizzazione dei corpi porosi, di geometria precisa, atti ad essere impregnati con oli lubrificanti e in grado di lavorare per tempi lunghi senza necessità di rabbocchi. Il primo materiale, sviluppato in analogia con le soluzioni metallurgiche note all’epoca, fu il bronzo: novità essenziale, però, era la presenza di grafite dispersa uniformemente nella matrice metallica.


Gli anni ’30 del secolo scorso videro l’affermazione dei metalli duri, un certo impiego delle boccole autolubrificanti, ma fecero registrare una novità densa di sviluppi successivi: la possibilità di ottenere, mediante metallurgia delle polveri, dei particolari meccanici idonei ad impieghi disparati. Lo sviluppo della tecnologia fu però sostanzialmente diverso fra l’Europa e gli Stati Uniti. In Germania, infatti, la tecnologia si sviluppò per impieghi militari. Quella nazione, infatti, non disponeva di risorse interne di rame, metallo impiegato comunemente per la realizzazione di cinture di forzamento di proiettili d’artiglieria.La strategia in atto, e le prospettive di una guerra d’aggressione, spinsero il regime nazista a selezionare un gruppo di giovani e brillanti metallurgisti, cui fu affidato il compito di trovare un materiale adatto a rimpiazzare il rame nelle cinture di forzamento. I prescelti per l’impresa furono 5, individuabili nella riproduzione di una vecchia foto.


Zapf Silbereisen Kieffer


In un’altra nazione europea, la Svezia, durante la guerra, la HVA, Husqvarna Vapenfabriks Aktiebolaget, sviluppò e mise a punto industrialmente delle tecniche di metallurgia delle polveri per la produzione di particolari meccanici per macchine da cucire domestiche.

La stessa HVA industrializzò il processo di produzione di polvere di ferro elettrolitica, utilizzato anche in Italia, dalla licenziataria Merisinter di Napoli, dall’inizio degli anni ’50 alla fine degli anni ’60.


Negli Stati Uniti, invece, lo sviluppo della metallurgia delle polveri nella componentistica meccanica iniziò poco dopo la metà degli anni ’30 del secolo scorso.

I primi particolari meccanici sinterizzati prodotti negli USA, a metà degli anni ’30 del secolo scorso, furono degli ingranaggi, delle camme e dei distanziali, tutti in acciaio semplice al carbonio.

Quelle applicazioni pionieristiche, accomunate da una buona resistenza all’usura da strisciamento, una discreta resistenza meccanica, una buona precisione, stimolarono l’interesse dell’industria automobilistica.


Il risultato di quell’interesse fu la realizzazione del primo componente destinato all’automobile: un ingranaggio per la pompa dell’olio di un motore Oldsmobile, entrato in produzione nel 1937. Il materiale di partenza era una miscela di polveri di ferro e di grafite (2%) e la struttura che si formava in sinterizzazione era di tipo ipoeutettoide, con frequenti inclusioni di grafite. L’elevata precisione dimensionale necessaria per il buon funzionamento della pompa richiedeva la calibratura. Nel complesso, con i parametri di giudizio odierni, la caratteristiche all’impiego erano modeste, paragonabili a quelle di una ghisa grigia comune, ma gli ingranaggi sinterizzati presentavano diversi e significativi vantaggi rispetto ad analoghi componenti ottenuti mediante lavorazione meccanica di getti di ghisa.


Nel nostro paese, la produzione dei primi componenti meccanici ebbe inizio dopo la fine della seconda guerra mondiale, e gli inizi, come spesso accade, non furono facili. Al riguardo, può essere utile, a magari suscitare tenerezza per una fase che potremmo definire infantile per la tecnologia, la tabella II, nella quale si mettono a confronto i dati di produzione degli anni 1947 e 1956.

Anno

Metalli duri

ed utensili diamantati

Spazzole rame-grafite

e contatti elettrici

Particolarimeccanici

Particolari meccanici

Metalli duri

ed utensili diamantati

Spazzole rame-grafite

e contatti elettrici

Polveri

Impianti Produzione,tonn.



Impianti

1947 > 3 7 ÷ 8 ? 25 ÷ 30 2? 100 ÷ 150 2?1956 8 20 8 70 7 700 6


Panoramica delle applicazioni nel settore automobilistico


In tutti i paesi industrializzati, le industrie automobilistiche, ormai da alcuni decenni, sono i maggiori consumatori di particolari sinterizzati.

Esistono però delle forti differenze fra i livelli d’impiego dei sinterizzati in aree geografiche diverse.

Presumibilmente, queste differenze derivano da diversi fattori. Il peso per vettura di componenti prodotti mediante metallurgia delle polveri, infatti, dipende da molti fattori.

In linea di massima, i fattori principali sono:


•la tipologia delle automobili,•il segmento caratteristico,•i mercati di maggior interesse per i produttori,•il peso e l’ingombro medi delle auto,•la diversa diffusione del cambio automatico,•l’incidenza dei servomeccanismi e dispositivi addizionali (“optionals”),•l’atteggiamento dei produttori di auto verso tecnologie innovative,•le tendenze verso l’impiego di determinati materiali,•le situazioni locali delle aziende di metallurgia delle polveri.


La possibilità di combinare forme complicate con precisione elevata e buona resistenza meccanica costituisce l’attrattiva di più forte interesse per i produttori automobilistici, e, ovviamente, anche per tutti gli altri settori d’impiego, dagli elettrodomestici alla meccanica varia, dal ciclo e motociclo alle apparecchiature idrauliche.

Per inquadrare correttamente il peso relativo della metallurgia delle polveri rispetto all’acciaio, si riportano, in una sola figura, le sfere che individuano, in una stessa scala, rispettivamente, i volumi produttivi mondiali di acciai tradizionali e di acciai sinterizzati,


Se però si considera che i maggiori quantitativi di acciaio sono destinati alla produzione di manufatti incompatibili con la metallurgia delle polveri (dalle lamiere ai tubi, dai profilati per l’edilizia al tondino per cemento armato, dal materiale ferroviario ai pezzi, fucinati o fusi, di dimensioni grandi o molto grandi), si può orientativamente stimare che l’aliquota di acciaio tradizionale destinata ad impieghi di caratteristiche comparabili con quelle tipiche dei sinterizzati sia dell’ordine del 10% rispetto agli acciai compatti. Il rapporto più adeguato per un confronto corretto è quello delle aree della figura seguente.


Categoria di materiale Anno2000 1999 1998 1991 1985 1977

Acciaio comune, lamiere e barre 622,8 634,6 638,9 608,3 672,0 904,9Acciai a media ed alta resistenza 153,8 148,8 144,7 109,1 98,7 56,7Acciai inossidabili 24,0 22,9 22,2 16,8 13,2 11,8Altri tipi di acciai 10,2 11,3 15,2 18,8 24,7 25,4Ghise 159,9 161,0 165,1 195,5 212,3 244,9Materie plastiche, compositi a base plastica 112,7 111,1 110,5 108,0 95,9 74,9Alluminio 111,4 107,0 101,6 75,3 62,6 44,0Rame, ottone e bronzo 20,9 20,6 20,9 20,9 20,0 17,5Particolari meccanici sinterizzati 16,3 15,9 15,0 10,7 8,6 7,0Zinco pressofuso 5,2 5,4 6,1 7,9 8,2 17,2Fusioni di magnesio 3,6 3,2 3,0 1,4 1,1 0,5Lubrificanti e fluidi diversi 89,8 88,0 89,6 78,9 83,5 90,7Gomme ed elastomeri 65,3 64,4 63,3 61,5 61,7 68,0Vetro 44,7 44,0 43,1 39,0 38,6 39,7Altri materiali 49,9 46,7 40,6 35,6 44,9 58,1Pesi totali delle autovetture, kg 1490,5 1484,9 1479,8 1387,7 1446,0 1661,3


Categoria di materiale Variazioni, %00/99 00/98 00/91 00/85 00/77 85/77

Acciaio comune, lamiere e barre -1,9 -2,5 2,4 -7,3 -31,2 -25,7Acciai a media ed alta resistenza 3,4 6,3 41,0 55,8 171,3 74,1Acciai inossidabili 4,8 8,1 42,9 81,8 103,4 11,9Altri tipi di acciai -9,7 -32,9 -45,7 -58,7 -59,8 -2,8Ghise -0,7 -3,1 -18,2 -24,7 -34,7 -13,3Materie plastiche, compositi a base plastica 1,4 2,0 4,4 17,5 50,5 28,0Alluminio 4,1 9,6 47,9 78,0 153,2 42,3Rame, ottone e bronzo 1,5 0,0 0,0 4,5 19,4 14,3Particolari meccanici sinterizzati 2,5 8,7 52,3 89,5 132,9 22,9Zinco pressofuso -3,7 -14,8 -34,2 -36,6 -69,8 -52,3Fusioni di magnesio 12,5 20,0 157,1 227,3 620,0 120,0Lubrificanti e fluidi diversi 2,0 0,2 13,8 7,5 -1,0 -7,9Gomme ed elastomeri 1,4 3,2 6,2 5,8 -4,0 -9,3Vetro 1,6 3,7 14,6 15,8 12,6 -2,8Altri materiali 6,9 22,9 40,2 11,1 -14,1 -22,7Pesi totali delle autovetture 0,4 0,7 7,4 3,1 -10,3 -13,0


ITALIA


PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010

PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011


PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010


Da: G. Rau, M. Krehl, (PMG F ssen GMBH, F ssen, Germania,Sintered steel parts for automobile weight reduction


Una soluzione consolidata da tempo: piattello per ammortizzatore, Giappone, da Whittaker, Advances in Structural PM Components, Int. PM Directory, 2006 - 2007


Indicazioni di base sulla tecnologia


Miscelazione polveri: anche nel caso di metalli semplici, cioè senza aggiunte di lega, le polveri base vengono additivate con aggiunte di lubrificanti solidi, con percentuali in peso comprese generalmente fra 0,5 e 1,5. L’intervallo più frequente va da 0,6 a 0,8%.

Le sostanze lubrificanti sono solide, in forma finemente suddivisa, derivate spesso dall’acido stearico. La densità delle sostanze lubrificanti è di circa 1 g/cm3 e, di conseguenza, la frazione in volume, nel caso di polvere a base ferro, è di quasi 8 volte superiore a quella in peso. La funzione dei lubrificanti è quella di ridurre gli effetti degli attriti durante la fase successiva.

I lubrificanti vengono eliminati durante la fase di salita a temperatura che precede la sinterizzazione. In alcuni casi molto particolari, l’eliminazione del lubrificante avviene in una fase specifica vera e propria.

Oltre al lubrificante, sono frequenti le aggiunte di polveri di metalli diversi da quello base o di sostanze ad altissimo tenore di carbonio, come la grafite, quando si vogliono ottenere degli acciai. Anche queste aggiunte sono in forma di polveri molto minute.

Fino a circa venti anni fa, quasi tutte le aziende di produzione di boccole autolubrificanti o componenti meccanici disponevano di un proprio reparto di miscelazione.

Oggi, salvo poche eccezioni, i sinterizzatori trovano conveniente acquistare le miscele di polveri, su loro formulazione, direttamente dai fornitori di materie prime.


Formatura: è l’operazione che trasforma una determinata massa di polvere, sciolta o incoerente, in un pezzo di geometria definita. Essa avviene mediante pressatura entro stampi “rigidi”. L’applicazione di pressione fa aumentare la densità del materiale da quella tipica dello stato sciolto (orientativamente, per le polveri di ferro, 2,9 ÷ 3,1 g/cm3) a quella minima compatibile con le esigenze funzionali dell’applicazione (per i materiali a base ferro, almeno 5,8 g/cm3).

Per evitare problemi di integrità dei pezzi formati (o “verdi” o “al verde”), l’addensamento della polvere dovrebbe essere bilaterale, simmetrico e simultaneo.

Il comportamento delle polveri metalliche sotto pressione differisce sostanzialmente da quello dei liquidi: il valore locale della pressione, infatti, non segue la legge di Pascal, ed i flussi e gli scorrimenti di polvere non avvengono in modo uniforme secondo direzioni diverse.

È per questo motivo che gli stampi di formatura debbono essere progettati in base al numero degli spessori del pezzo, contati secondo l’asse di pressatura. Nel caso di un solo spessore, per esempio, due punzoni sono necessari e sufficienti. Uno schema semplificato di stampo di formatura di polveri è illustrato nella figura che segue.


Riempitura Fine pressatura Estrazione del pressato


Questa soluzione, con addensamento unilaterale, non simmetrico, è ammissibile solo per particolari di piccolo spessore in senso assiale.

Se questa dimensione non è piccola (dell’ordine di pochissimi millimetri), per effetto degli attriti fra polvere e pareti dello stampo si creano dei gradienti di densità incompatibili con la maggior parte delle possibili applicazioni.

I gradienti di densità generano gradienti di proprietà meccaniche dopo sinterizzazione. In generale, anche per pressati ad un solo spessore assiale si impiegano presse che consentono movimenti della matrice o del punzone inferiore, oltre al moto di discesa del punzone superiore, in modo da ottenere un addensamento simmetrico della polvere rispetto al suo piano mediano iniziale, come indicato nella figura seguente.


Riempitura Fine pressatura Estrazione del pressato


Riempitura Fine pressatura Estrazione completa del pressato


Sinterizzazione: è il processo termico che trasforma una massa di polvere addensata, di geometria definita, ma di proprietà meccaniche trascurabili, inadeguate per qualsiasi applicazione, in un particolare della stessa geometria, ma idoneo a resistere senza cedimenti irreversibili ad azioni esterne anche forti.

Secondo la Tabella UNI 4878, “Metallurgia delle polveri, Termini e definizioni” (Febbraio 1988), la Sinterizzazione è il processo termico che provoca la formazione di saldature localizzate tra le superfici di contatto di particelle non necessariamente metalliche; per effetto della crescita delle saldature nelle zone puntiformi iniziali di contatto, le particelle sinterizzate acquistano caratteristiche di coesione notevole.

La stessa tabella UNI precisa che la sinterizzazione avviene attraverso i meccanismi di diffusione e di evaporazione-condensazione allo stato solido, anche se può verificarsi presenza temporanea di fasi liquide in quantità relativamente modeste.


Questa definizione non differisce da quella riportata dall’ASM (American Society for Metals, che specifica: Sintering is the bonding of adjacent surfaces in a mass of particles by molecular or atomic attraction on heating at high temperatures below the melting temperature of any constituent in the material. Sintering strengthens a powder mass and normally produces densification and, in powdered metals, recrystallization. See also liquid phase sintering. Anche la definizione secondo la ISO è analoga alle precedenti: “Sintering is the thermal treatment of a powder or compact at a temperature below the melting point of the main constituent, for the purpose of increasing its strength by bonding together of the particles.”


Da un punto di vista termodinamico, la forza motrice che genera la trasformazione di una massa di polveri addensate in un corpo coerente e resistente è la riduzione di energia libera totale Gtot, che include Gvol, variazione di energia libera di volume,

Gbg, variazione di energia libera per la riduzione dei bordi di grano, e Gsup, variazione di energia libera per la riduzione di superficie. Nei materiali metallici il termine preponderante è la diminuzione di energia superficiale, che avviene attraverso la crescita delle aree di contatto fra granuli create dalla pressatura, la saldatura fra granuli a contatto, la sostituzione di interfacce gas-solido con altre solido-solido. Per attivare i processi di scambio energetico è generalmente necessario il riscaldamento, che però non deve essere tale da causare variazioni di forma apprezzabili: la temperatura di processo deve essere sensibilmente inferiore a quella di fusione del costituente principale del materiale in elaborazione. All’estremo opposto, la temperatura deve essere sufficientemente elevata da consentire una discreta mobilità atomica, In pratica, per tutti i materiali a base ferro, il campo industriale delle temperature di sinterizzazione è compreso fra 1120 °C e 1300 °C.


Se nella miscela sono presenti metalli a punto di fusione inferiore alla temperatura di sinterizzazione (come, ad esempio, il rame), questa avviene con presenza temporanea di fase liquida. Nella metallurgia delle polveri applicata alla produzione di componenti meccanici o cuscinetti autolubrificanti l’aumento della densità è molto modesto, o addirittura trascurabile, a differenza di quanto accade con i materiali ceramici. Data la tendenza di molti metalli all’ossidazione, e data la notevole estensione della superficie di una certa massa di polvere, la sinterizzazione deve avvenire sotto atmosfera neutra o, meglio, riducente, per favorire invece la riduzione di ossidi superficiali.


I meccanismi di trasporto di massa in sinterizzazione sono:la diffusione di superficie,la diffusione al bordo grano,la diffusione di volume,il flusso viscoso,l’evaporazione – condensazionericristallizzazione e crescita dei grani cristallini.

Ogni singolo meccanismo prevale entro determinati campi di temperatura. La sinterizzazione provoca nel materiale sensibili variazioni delle proprietà di conducibilità termica, elettrica, di resistenza meccanica, di duttilità. Queste variazioni sono dovute al cambiamento della microstruttura del pezzo, che presenta porosità meno spigolosa e acquista compattezza per meccanismi di diffusione atomici e ricristallizzazione.La densità può aumentare o diminuire a seconda del tipo di tecnica utilizzata per la preparazione del metallo o la formazione di lega. Nel caso in cui la superficie della polvere liberi gas adsorbiti o se i lubrificanti si decompongono e vengono eliminati si può avere diminuzione della densità.


Per spiegare e valutare l’entità della sinterizzazione si ricorre spesso al modello geometrico sferico. La geometria sferica delle particelle permette di mettere in relazione il raggio del collo di saldatura fra granuli al raggio r delle particelle e alla diminuzione della distanza fra i loro centri. Da questi dati si ottengono i valori del volume di materiale che si è trasferito per formare il collo, e l’area di contatto fra le sfere e quindi il grado di sinterizzazione raggiunto. La velocità con cui ha luogo il processo è funzione della temperatura, delle dimensioni delle particelle, della mobilità della specie diffondente, ed è ricavabile in valore numerico attraverso numerose equazioni di flusso. Temperature elevate e granulometria fine tendono a rendere più reattive le polveri, favorendo il meccanismo di interconnessione fra le particelle. Un esempio di saldatura fra particelle sferiche, avvenuta in sinterizzazione, è illustrato a fianco.


Calibratura: è un’operazione meccanica che permette di raggiungere un’elevata precisione dimensionale, compensando ed attenuando le deformazioni e le escursioni delle variazioni dimensionali che si generano in sinterizzazione. Dal processo di sinterizzazione si ottiene un pezzo più o meno duro, a seconda del materiale, ma allo stato ricotto (o molto blandamente tensionato), il quale è idoneo a forti deformazioni sotto carico se sollecitato oltre il suo limite di snervamento. La calibratura consiste in uno stampaggio del pezzo sinterizzato entro uno stampo apposito, simile ad uno stampo di pressatura, ma generalmente più semplice, contenete però delle profilature opportune dei vari elementi per evitare trafilature indesiderate di materiale. È necessaria soltanto una modesta deformazione plastica e le forze unitarie richieste per effettuare l’operazione di calibratura devono essere pari ad almeno 2,5 ÷ 3 volte il limite di snervamento del materiale. La calibratura differisce dalla coniatura: questa, infatti, ha un duplice scopo: non solo migliora la precisione dimensionale, come nella calibratura, ma modifica le configurazioni delle facce estreme (come in una medaglia ricavata da un semplice dischetto) ed aumenta anche la densità dei pezzi, come conseguenza dell’applicazione di forze unitarie più elevate.


Lo scorrimento plastico durante la coniatura è considerevole. La durezza e la resistenza a trazione aumentano corrispondentemente, mentre l’allungamento diminuisce. Questo incremento delle proprietà meccaniche, che non è trascurabile in calibratura, in molto casi, in coniatura, può risultare anche elevato. Di conseguenza, sia in calibratura che in coniatura, un componente sinterizzato in materiale non legato, tipicamente poco duro dopo sinterizzazione, subisce un incrudimento che può essere anche rilevante, tale da far raggiungere una resistenza sufficiente all’impiego anche in condizioni piuttosto severe e ridurre la tendenza a subire ammaccature per effetto delle manipolazioni. In linea di massima, la durezza del materiale sinterizzato da calibrare non deve essere superiore a 180 HB. Durante l’operazione bisogna evitare divari di sollecitazione fra zone interne ed esterne che possano creare lesioni nel pezzo. Date le sollecitazioni agenti, per garantire la precisione voluta occorre considerare, in molti casi, anche la cedevolezza elastica degli elementi di stampi. Non si dispone di indicazioni specifiche sulla durezza massima ammissibile prima della coniatura, ma si può stimare che, per evitare rapide usure degli elementi di stampo, questa caratteristica non debba essere superiore a 250 HB.


Impregnazione in olio: è l’operazione mediante la quale la porosità aperta ed intercomunicante di un corpo poroso, non necessariamente o non solo sinterizzato, viene riempita (o “saturata”) con olio.

I componenti pressati e sinterizzati in condizioni industriali – salvo processi particolari – presentano sempre una porosità non trascurabile; un esempio (ferro, pressato a 400 MPa e sinterizzato a 1120 °C, per 20 minuti, è riportato in figura. La rete spaziale della porosità interconnessa è evidenziata nella figura successiva .

La frazione areale o in volume della porosità è il complemento a 1 della densità relativa.

Ad esempio, nel caso di un materiale sinterizzato a base ferro, avente densità di 6,5 g/cm3, la densità relativa è uguale a 6,5/7,85, cioè 0,828 e la frazione di porosità è uguale a 1 – 0,828, cioè 0,162.


Trattamento termicoL’ applicazione dei trattamenti termici ai componenti strutturali realizzati in acciai sinterizzati è pratica corrente ormai da alcuni decenni. I trattamenti vanno da quelli ormai correnti (carbocementazione e tempra; austenitizzazione e tempra; tempra a induzione) a quelli che, quando applicati agli acciai sinterizzati, richiedono cautela e cura particolari (nitrurazione in bagno di sali, nitrurazione morbida, nitrurazione ionica. Per i trattamenti non "tradizionali” ha notevole importanza pratica l'entità delle variazioni dimensionali, che sono indice della penetrazione in profondità degli elementi di diffusione e del conseguente probabile effetto infragilente. Se il ruolo dei trattamenti termici è stato già importante, in passato, per la crescita dei prodotti della metallurgia delle polveri, le esigenze sempre più sentite di riduzione degli ingombri e dei pesi - a parità di condizioni di lavoro - hanno fatto progressivamente aumentare l'importanza dei trattamenti correttamente effettuati e delle giuste scelte metallurgiche.


Sulla base dei campi di densità è possibile stabilire una classificazione dell'idoneità alla cementazione dei diversi acciai sinterizzati:1. è possibile ottenere strati cementati di spessore definito e ripetibile con

precisione, analogamente a quanto accade per gli acciai da cementazione compatti, solo se la densità è superiore a 7.10 gjcm3;

2. gli spessori di cementazione possono presentare una certa variabilità (controllabile discretamente mediante una condotta accurata del processo di carbocementazione), nel campo di masse volumiche comprese fra 6,9 e 7,1 g/cm3;

3. le escursioni della profondità di cementazione possono diventare non trascurabili, per quanto accurata possa essere la condotta del processo di carbocementazione, nel campo di masse volumiche comprese fra 6,5 e 6,9 g/cm3;

4. per masse volumiche inferiori a 6,5 g/cm3 la profondità sperimentale di cementazione può presentare delle dispersioni elevate.


1

2

3

4

5

6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0

Coef

ficien

te di

Har

ris re

lativo

Densità [g/cm3]

Profondità relativa di cementazione di acciai sinterizzati


Acciaio sinterizzato da polvere Distaloy AE + 0,5% C; sinterizzazione a 1120 °C, per mezz’ora

Acciaio sinterizzato da polvere Distaloy AE + 0,5% C; sinterizzazione a 1250 °C, per un’ora


Tempra a induzioneGli acciai sinterizzati a medio tenore di carbonio, moderatamente o discretamente alligati, sono idonei anche al trattamento di tempra a induzione. Non pochi sinterizzatori, tuttavia, tendono a sconsigliare questo trattamento, adducendo scuse diverse per non dover ammettere la loro incapacità nel controllo di campi ristretti del tenore di carbonio in sinterizzazione. La risposta degli acciai sinterizzati al trattamento, in termini di profondità efficace, tende a coincidere con quella degli acciai più tradizionali al crescere della densità, come indicato schematicamente nella figura che segue. Se non è possibile agire sulla frequenza di induzione, si opera comunemente riducendo la potenza impiegata. I pezzi sinterizzati e temprati a induzione, tipicamente porosi, tendono a ritenere dell’acqua, che è invece opportuno rimuovere il prima possibile.


1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0,00 0,05 0,10 0,15

Prof

ondi

tà re

lativa

PorositàInfluenza della frazione di porosità degli acciai sinterizzatisulla profondità relativa di indurimento nella tempra a induzione

la metallurgia delle polveri-vicenza 18 maggio 2011

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