Metallurgia delle Polveri: Processi di Produzione e Caratterizzazione

Metallurgia delle Polveri: Produzione e Caratterizzazione

La metallurgia delle polveri è definita come l'arte di produrre prodotti commerciali da polveri di metallo. In questo processo viene sempre utilizzato il calore, ma se usato, questo dovrebbe essere mantenuto al di sotto della temperatura di fusione del metallo in lavorazione. Quando il calore viene applicato nel successivo processo della metallurgia delle polveri, questo è noto come sinterizzazione. Questo processo di adesione genera polveri sottili, migliorando la resistenza dei prodotti e alcune delle sue proprietà. Le parti prodotte in metallo tramite i processi di metallurgia delle polveri sono il prodotto di una miscela di polveri di vari metalli complementari nelle loro caratteristiche. Quindi, è possibile ottenere metalli a base di cobalto, tungsteno o grafite a seconda di quello per cui verrà utilizzato il materiale prodotto.

La polvere di metallo è più costosa che in forma solida e il processo è consigliato solo per la produzione di massa di prodotti. Il costo di produzione complessivo di parti prodotte da polveri di metallo è superiore a quello della fusione, ma è giustificabile e redditizio per le eccezionali proprietà ottenute con questa procedura. Ci sono prodotti che non possono essere fabbricati in altro modo e non hanno concorrenza per le tolleranze che si raggiungono con questo metodo di fabbricazione.

Processo di Metallurgia delle Polveri

1. Produzione della polvere di metallo utilizzata nel pezzo
2. Miscelazione dei metalli partecipanti
3. Stampaggio delle parti
4. Sinterizzazione delle parti
5. Trattamento termico

Schema per la Produzione di Parti in Polvere

Produzione e Caratterizzazione delle Polveri

Le dimensioni, la forma e la distribuzione delle polveri influiscono sulle caratteristiche dei pezzi da produrre, quindi bisogna prestare attenzione al modo di produzione delle polveri. Le principali caratteristiche delle polveri da considerare sono:

1. Forma
2. Finezza
3. Distribuzione
4. Capacità di flusso
5. Proprietà chimiche
6. Comprimibilità
7. Densità
8. Densità apparente
9. Proprietà di sinterizzazione

Forma

La forma della polvere dipende dal modo in cui è stata ottenuta la polvere, questa può essere sferica, a ruscello, dendritica, piatta o angolare.

Finezza

La finezza si riferisce alle dimensioni delle particelle, misurata tramite maglie standard, che consistono di setacci standard, i quali hanno dimensioni comprese tra 36 e 850 micron.

Distribuzione delle Dimensioni delle Particelle

Si riferisce alle quantità delle dimensioni delle particelle che partecipano alla composizione di un pezzo di polvere. Questa distribuzione dimensionale ha una grande influenza sul flusso e sulla densità delle particelle e sulla porosità del prodotto finale.

Fluidità

È la proprietà che consente di scorrere facilmente da una parte all'altra o nella cavità dello stampo. È misurata con una velocità di flusso attraverso un foro standard.

Proprietà Chimiche

Sono le caratteristiche di risposta dei diversi elementi. Riguardano anche la purezza della polvere usata.

Comprimibilità

È il rapporto tra il volume iniziale della polvere usata e il volume finale della parte compressa. Questa proprietà varia notevolmente a seconda delle dimensioni delle particelle di polvere e influenza direttamente la resistenza delle parti.

Densità

È espressa in chilogrammi per metro cubo. Questa deve essere costante, affinché il pezzo in tutte le sue parti abbia la stessa quantità di polvere.

Facilità di Sinterizzazione

La sinterizzazione è l'unione delle particelle tramite calore. Dipende dal tipo di polvere usata, quindi ci sono molte temperature di sinterizzazione per i diversi materiali utilizzati.

Metodi per la Produzione di Polveri

Tutti i metalli possono essere prodotti in forma di polvere, tuttavia non tutti soddisfano le caratteristiche necessarie per costituire una parte. I due metalli più utilizzati per la produzione di polvere per la fabbricazione di parti sono il rame e il ferro. Come variazioni del rame si utilizzano il bronzo per cuscinetti porosi e l'ottone per parti di macchine di piccole dimensioni. Si utilizzano anche altre polveri di nichel, argento, tungsteno e alluminio.

Esistono diversi modi di produrre polveri metalliche a seconda delle caratteristiche fisiche e chimiche dei metalli utilizzati:

• Lavorazione meccanica: utilizzata principalmente per la produzione di polvere di magnesio.
• Macinazione: il materiale viene macinato con mulini a rulli rotanti e frantumazione dei metalli. Con questo metodo i materiali fragili possono essere ridotti a particelle irregolari di qualsiasi finezza.
• Shotting: consiste nello svuotare il metallo fuso in un setaccio e raffreddarlo facendolo cadere in acqua. In questo processo si ottengono forme sferiche o piriformi. La maggior parte dei metalli può essere sottoposta a shotting, ma la dimensione delle particelle è spesso troppo grande.
• Spruzzatura: consiste nello spruzzare il metallo e raffreddarlo in aria o acqua. È un metodo eccellente per la produzione di polvere di quasi tutti i metalli a basso punto di fusione come piombo, alluminio, zinco e stagno.
• Granulazione: alcuni metalli possono essere trasformati in polvere tramite una rapida agitazione del metallo mentre si raffredda.
• Elettrodeposizione: consiste nell'immersione del metallo da spruzzare, come anodi, in vasche con elettrolita. I serbatoi fungono da catodi, il ferro o il metallo in forma di spray si sposta verso l'anodo e si deposita sul catodo come una polvere fine che può quindi essere usata con facilità.

Polveri Speciali

• Polveri Pre-legate: quando si produce una polvere di un metallo pre-legato, le proprietà delle parti sono notevolmente migliorate rispetto a quelle che si otterrebbero con i metalli puri. Uno dei vantaggi di questo tipo di polvere è che sono necessarie temperature più basse per la loro produzione e che la somma delle proprietà dei due metalli insieme è simile a quella ottenuta con la fusione.
• Polveri Rivestite: le polveri possono essere rivestite con alcuni elementi facendole passare attraverso un gas di trasporto. Ogni particella viene rivestita uniformemente e quando viene sinterizzata acquisisce le proprietà del rivestimento. Questo consente l'utilizzo di polveri più economiche.

Conformazione

Consiste nell'azione di compressione della polvere versata in un contenitore con la forma desiderata del pezzo da produrre. Esistono diversi metodi di conformazione, eccone alcuni:

• Pressatura: le polveri vengono pressate in stampi di acciaio per formare il pezzo necessario. La pressione varia tra 20 e 1400 MPa. Le polveri di plastica non richiedono pressioni elevate, al contrario di quelle più dure. La maggior parte delle presse progettate per altri scopi può essere utilizzata per la produzione di pezzi di polvere. Possono essere usate presse idrauliche, ma è più comune l'uso di presse meccaniche grazie alla loro alta capacità produttiva.
• Compattazione Centrifuga: gli stampi vengono riempiti di polveri metalliche pesanti e poi centrifugati per ottenere pressioni fino a 3 MPa. Con questo metodo si ottiene un prodotto di densità uniforme grazie alla forza centrifuga esercitata su ogni particella di polvere. Successivamente le parti vengono estratte dallo stampo e sinterizzate, acquisendo la durezza finale.
• Colata: parti di tungsteno, molibdeno e altre polveri sono talvolta realizzate tramite compattazione per colata. Questa procedura consiste nel fare un impasto con la polvere di metallo utilizzata, che viene poi versato in uno stampo di gesso. Poiché lo stampo di gesso è un materiale poroso, drena gradualmente lasciando uno strato solido di materiale metallico. Trascorso il tempo sufficiente per ottenere uno strato di spessore adeguato, le parti vengono sinterizzate normalmente. Questa procedura è molto utile per gli oggetti cavi.

Estrusione

Per la produzione di pezzi lunghi da polveri metalliche si utilizza il processo di estrusione. I metodi utilizzati per questo processo dipendono dalle caratteristiche della polvere: alcune vengono estruse a freddo con un legante, mentre altre vengono riscaldate alla temperatura di estrusione. In genere, la polvere viene compressa in lingotti, riscaldata e sinterizzata prima di passare alla pressa per estrusione.

• Compressione con Esplosivi: come suggerisce il nome, la forza necessaria per compattare una polvere nella sua forma corretta può essere il risultato di un'esplosione. La procedura è semplice ed economica, ma presenta dei pericoli e il suo controllo potrebbe non essere del tutto soddisfacente.

Sinterizzazione

È il processo attraverso il quale, con l'aumento della temperatura, le particelle di corpi solidi si uniscono tra loro tramite forze atomiche. Con l'applicazione di calore, le particelle vengono pressate al minimo contatto e l'efficacia delle reazioni allo stress superficiale aumenta. Durante il processo di plasticità, i grani aumentano e si produce un migliore incastro meccanico con la formazione di un letto fluido. Eventuali gas presenti che interferiscono con l'unione vengono espulsi. Le temperature di sinterizzazione sono inferiori alla temperatura di fusione della polvere principale nella miscela utilizzata.

Esiste un'ampia gamma di temperature di sinterizzazione, tuttavia di seguito sono riportate quelle che si sono dimostrate soddisfacenti:

• Ferro: 1095 °C
• Acciaio Inossidabile: 1180 °C
• Rame: 870 °C
• Carburo di Tungsteno: 1480 °C

Il tempo di sinterizzazione varia tra i 20 e i 40 minuti.

Vantaggi e Limiti del Processo di Produzione Metallurgica delle Polveri

Vantaggi

• La produzione di carburi sinterizzati, cuscinetti porosi e strati bimetallici stampati può essere realizzata solo attraverso questo processo.
• Porosità controllata.
• Piccole tolleranze e alta qualità di finitura superficiale.
• La qualità e la purezza delle polveri prodotte consentono di ottenere pezzi di elevata purezza.
• Nessuna perdita di materiale.
• Non richiede operatori altamente qualificati.

Limiti

1. Le polveri sono costose e difficili da immagazzinare.
2. Il costo delle apparecchiature per la produzione di polveri è elevato.
3. Alcuni prodotti possono essere realizzati con altre procedure in modo più economico.
4. È difficile realizzare prodotti con disegni intricati.
5. Ci sono alcune difficoltà nel processo di sinterizzazione termica, soprattutto con materiali a basso punto di fusione.
6. Alcune polveri a grana fine presentano pericolo di esplosione, come alluminio, magnesio, zirconio e titanio.
7. È difficile fabbricare prodotti ad alta densità uniforme.

Alcuni Prodotti Realizzati con Questa Procedura

• Filtri metallici
• Carburi cementati
• Ingranaggi e rotori per pompe
• Tergicristalli per motori
• Cuscinetti porosi
• Magneti
• Contatti elettrici