Polvere eri… e poi incontri la metallurgia!
La sequenza di operazioni che portano un materiale pulvirulento a compattarsi e divenire un materiale indivisibile si indica come ‘metallurgia delle polveri’.
Una tecnologia che appare particolarmente interessante almeno sotto due profili:
- metallurgico e meccanico: per la possibilità di grandi innovazioni dal punto di vista composizionale e di proprietà;
- geometrico: per la complessità delle forme e il rispetto di strette tolleranze dimensionali.
Un po’ di storia
Quella che si definisce correntemente come ‘metallurgia delle polveri’ è un metodo di produzione di oggetti e di particolari metallici tutt’altro che nuovo!
Si torna addirittura alla preistoria, alla manifattura di oggetti in ceramica per intravedere una prima applicazioni di questo metodo. E intorno al 3000 a.C. in India e in Egitto sapevano benissimo come impiegarlo per lavorare il ferro: a dimostrarcelo è stato proprio il ritrovamento di manufatti.
Via via nel tempo, l’ambito di applicazione privilegiato è stato sempre più frequentemente l’ambito dei materiali metallici. Nel caso dell’acciaio, si svolgeva la sinterizzazione riducendo con il carbone la limatura d’acciaio precedentemente ossidata allo stato pastoso; così la riduzione con il carbone eliminava le impurità permettendo poi la compressione e la forgiatura per ottenere un insieme compatto.
La produzione di lingotti di platino proprio a partire dalle polveri del metallo è attestata in Francia nel 1822. Da lì in avanti, la tecnica fu costantemente oggetto di miglioramento. A partire dal 1830, è documentata l’applicazione del processo ad un ampio spettro di materiali metallici.
Si arriva così alla seconda metà del XIX secolo, quando la tecnologia della sinterizzazione veniva effettuata nella produzione di filamenti di tungsteno, aprendo la strada alla realizzazione delle prime lampade a incandescenza. Agli inizi del XX secolo la metallurgia delle polveri venne applicata per la produzione di filtri in materiale metallico sinterizzato.
Risalgono al 1915 le prime trafile ottenute con la sinterizzazione di carburi di tungsteno e molibdeno, mentre nel 1922 la Krupp avviò la produzione di carburo di tungsteno con il processo al cobalto in fase liquida. E ancora, sempre negli anni Venti,attraverso la sinterizzazione si cominciarono a ottenere materiali poi impiegati come contatti elettrici. Nei decenni successivi, la sinterizzazione venne applicata anche per la produzione di magneti, frizioni magnetiche, cuscinetti in bronzo poroso autolubrificati e palette per turbine a gas.
Una famiglia di processi ampia e complessa
In virtù dell’elevato numero di parametri che possono identificare metodologie produttive differenti.
In particolare, una prima classificazione può essere effettuata considerando la metodologia per la realizzazione delle forma del componente finale:
- tecnologie che prevedono una fase di pressatura di polveri libere all’interno di uno stampo (tecnologie Press & Sintering)
- tecnologie che prevedono l’iniezione di una massa plastica di polveri e legante all’interno di uno stampo metallico (tecnologie Powder Injection Moulding, mutuate dal settore delle materie plastiche)
- tecnologie additive (tecnologie Layer by Layer o Additive Manufacturing).
D’altra parte, le stesse tecnologie possono essere classificate in base alla fonte di energia che porta al fenomeno di densificazione del compatto da agglomerato di polveri a solido (termica, fonte laser, scarica capacitiva, plasma), oppure in base all’eventuale necessità di miscelare la polvere con un legante.
Le operazioni da svolgere:
- riduzione del materiale in polvere
- condizionamento delle polveri
- sinterizzazione ad elevata pressione e temperatura oppure pressatura e formatura (a temperatura ambiente) e successiva sinterizzazione ad elevata temperatura.
Come si producono le polveri?
Eccezion fatta per alcuni casi in cui si fa ricorso a comminuzione da solido o a processi di natura chimica o elettrolitica, la produzione delle polveri si realizza prevalentemente l’atomizzazione.
Si parte dal metallo allo stato fuso facendolo passare in maniera controllata attraverso un orifizio. Al termine dell’orifizio, un getto d’acqua (atomizzazione in acqua) o un flusso di gas interagiscono con il metallo fuso, disintegrandolo o solidificandolo. La loro interazione, diversificata, dà luogo:
- a particelle di forma irregolare e spugnosa;
- in virtù delle elevate pressioni in gioco, a particelle di forma regolare e sferica
Alligazione: diverse metodologie con vantaggi e svantaggi
Al di là delle differenze che sussistono dal punto di vista morfologico, le polveri possono anche essere classificate in base alla metodologia di alligazione. Nel caso in cui si utilizzi una lega, l’alligazione può precedere l’atomizzazione (il metallo fuso contiene già tutti gli elementi leganti) oppure successiva, allo stato di polveri.
La via meno complessa (ma non sempre percorribile) per dar vita ad una lega consiste nel miscelare le polveri elementari in base alla percentuale stechiometrica, in peso, degli elementi leganti. Il principale vantaggio della miscelazione, oltre alla più spiccata comprimibilità delle miscele di polveri elementari rispetto alle pre-legate, è che la composizione di una miscela può essere cambiata o corretta in maniera puntuale a valle del processo di atomizzazione. Non mancano, tuttavia, svantaggi come la minore omogeneità del componente sinterizzato.
Altri processi prevedono l’alligazione a livello di particelle di polvere, come accade con le polveri pre-legate per diffusione. Attraverso un trattamento termico, si crea un legame chimico, consolidato da processi diffusivi, tra la polvere del materiale metallico di base e le polveri degli elementi in lega. Si otterrà quindi una particella di metallo base con gli elementi delle particelle di legante saldate alla superficie sotto forma di satelliti.
Infine sono da annoverare le polveri totalmente pre-legate, esse sono ottenute in genere attraverso l’atomizzazione a partire dal fuso della lega in interesse. Particolari proprietà infine possono essere ottenute attraverso il ricorso a sistemi ibridi in cui polveri delle diverse metodologie vengono miscelate.
Dopo la produzione delle polveri, la formatura
Alla fase di produzione delle polveri deve poi seguire una fase in cui alla massa libera di polvere metallica viene impartita una certa geometria. Nel processo tradizionale, la fase si attua pressando (Press & Sintering) il materiale in uno stampo di geometria opportuna.
Il processo prevede un numero elevato di varianti, atte a migliorare la densificazione del materiale in termini di compattazione e isotropia, possono prevedere l’applicazione di calore in fare di compattazione o l’utilizzo di equipaggiamenti che permettano l’applicazione di pressioni isostatiche (un esempio largamente utilizzato è l’Hot Isostatic Pressing).
Di norma, i processi di pressatura prevedono che alla fase di compattazione segua una fase di sinterizzazione termica. In alcuni casi, però, le due fasi avvengono simultaneamente così da sfruttare l’energia dei campi elettrici. Tra i processi alternativi alla formatura per compattazione si annoverano invece i processi di iniezione (Powder Injection Molding) e i processi additivi.
Più resistenti con la sinterizzazione
Trattare una polvere, o di un compatto, ad una temperatura inferiore al punto di fusione del componente principale, per incrementarne la resistenza, mediante la creazione di legami tra le particelle significa eseguire il trattamento termico della sinterizzazione.
Come avviene, in generale? La riduzione dell’energia libera superficiale è la principale forza guida del processo, che è si verifica per trasferimento di massa.
Sotto il profilo termodinamico, il fenomeno può essere spiegato in termini di tensione superficiale: le particelle hanno superfici curve che la sinterizzazione cerca di eliminare; sulla superficie si concentra un’elevata quantità di energia che diminuisce drasticamente con la riduzione della curvatura. Inoltre la pressione di vapore su aree concave è molto inferiore rispetto ad aree convesse.
A causa delle caratteristiche forze trainanti, durante la sinterizzazione termica il processo di densificazione è condotto secondo differenti meccanismi:
- diffusione (superficiale, a bordo grano, volumica),
- flusso plastico,
- fenomeni di evaporazione-condensazione.
In questi processi giocano un ruolo fondamentale parametri come:
- tempo,
- temperatura di sinterizzazione,
- atmosfera in cui il processo viene condotto.
Le polveri libere tendono a formare delle zone di unione (colli di sinterizzazione) che accrescono fino a ridurre la porosità inter-particellare e quindi a raggiungere la densificazione attraverso:
- scarica ad arco
- migrazione elettrica
- diffusione indotta da campo elettrico
- Gradienti di temperatura
- Gradiente di pressione di carico
- modificazione della concentrazione dei difetti
Tecnologie Press & Sintering
Le tecnologie di pressatura e sinterizzazione termica sono lmolto usate per produrre un gran numero di componenti metallici, la cui forma sia, dal punto di vista geometrico, principalmente è assial-simmetrica.
Sono solidi di estrusione classificabili in due tipologie:
- componenti di difficile produzione mediante altri metodi, come ad esempio particolari realizzati in tungsteno, molibdeno o carburo di tungsteno. Inoltre cuscinetti porosi, filtri, materiali compositi e molti tipi di componenti magnetici dolci o duri che sono realizzabili soltanto mediante PM.
- componenti PM economicamente vantaggiosi rispetto ai componenti lavorati a macchina, colati o forgiati. Tra gli esempi, figurano parti strutturali come innesti per applicazioni automobilistiche, elementi di collegamento, camme ed ingranaggi planetari sono solo alcuni esempi.
Il cuore di questa produzione restano i componenti a base ferro, ma non mancano significative quantità di pezzi in rame, ottone, bronzo ed alluminio, così come alcuni metalli più rari come il berillio ed il titanio.
Tecnologie FAST
Il principio alla base è il rapido apporto di energia alla polvere attraverso il supporto di un campo elettro-magnetico a frequenze relativamente basse (<500 Hz). Proprio la rapidità del processo garantisce grandi vantaggi sia dal punto di vista della produttività sia dal punto di vista del controllo delle proprietà del pezzo. Le tecnologie di sinterizzazione assistite da campo (Field Assisted Sintering Techniques) servono, infatti, a produrre in tempi molto brevi dei componenti con caratteristiche meccaniche elevatissime.
In fase si sinterizzazione si manifestano fenomeni come diffusione atomica, interazione tra forza termiche, elettromagnetiche e meccaniche, eventualmente amplificate dalla porosità nei componenti, così come fenomeni plastici favoriti dal flusso di corrente attraverso materiali conduttivi (effetto elettro-plastico EPE).
Le possibilità di applicazioni pratiche offerte da queste tecnologie innovative sono molteplici, in primo luogo quelle legate alla produzione di oggetti a densità teorica, con caratteristiche meccaniche estremamente interessanti senza bisogno di operazioni secondarie di deformazione plastica o di trattamenti superficiali.
Tecnologie ad iniezione – MIM
Circa 80 anni fa apparvero i primi brevetti ed i primi articoli sul Ceramic Injection Moulding. Derivante dalla tecnologia di stampaggio a iniezione per le materie plastiche, il Metal Injection Moulding (MIM), prevede l’utilizzo di una pressa a iniezione, attraverso cui una massa plastica, composta da un blend di polveri metalliche e legante polimerico ,fluisce all’interno di uno stampo metallico (mono o multiimpronta, semplice o complesso).
L’iniettabilità all’interno dello stampo è garantita dall’aggiunta del legante, dato dalla
miscela di diversi componenti plastici: polimeri, cere, additivi. La miscelazione delle polveri metalliche e dei leganti è condotta in miscelatori a caldo, in modo da ottenere una perfetta omogeneità della miscela ed è poi granulato. Questo feedstock (composto generalmente da 15-30% in volume di legante), fluisce molto bene anche all’interno di cavità complesse e conferisce al manufatto finale precise caratteristiche geometriche in termini di finitura superficiale e di tolleranze geometriche derivanti dallo stampo metallico in cui viene iniettata.
I compatti estratti dallo stampo devonopoi seguire un processo di eliminazione del legante (per via termica o chimica) e in seguito in processo di densificazione sotto forma di sinterizzazione termica, il che porterà alla densificazione finale del compatto metallico con un ritiro dimensionale isotropo e prevedibile.
I forni di sinterizzazione sono ottimizzati per il processo MIM sono equipaggiati in modo da trattare, rimuovendolo, la parte di legante ancora contenuto nei pezzi ed avere un’atmosfera sufficientemente pulita alla temperatura di sinterizzazione. Grazie alla possibilità di produrre pezzi di piccole dimensioni e geometrie complesse, con densità prossime a quella teorica con buona finitura superficiale il MIM si pone in diretta concorrenza con tecnologie tradizionali come la fusione a cera persa.
Tecnologie Additive Manufacturing
Da diversi anni le tecnologie di additive manufacturing esercitano un forte appeal per applicazioni legate alla produzione – senza dilungarsi nei passaggi del processo tradizionale – di oggetti dalla geometria complessa, spesso anche molto sottili o cavi.
I processi di additivi condotti su metallo, e in particolare le tecnologie che rientrano nella famiglia del rapid manufacturing, rivestono grande interesse per settori in cui la possibilità di produrre pezzi complessi, unici e fortemente personalizzabili, è un valore aggiunto.
Tecnologie selettive laser e tecnologie di stampaggio SLS/SLM
Il forte interesse alla produzione di realizzare oggetti in metallo a partire dal disegno CAD, in tempi contenuti e senza necessità di passaggi intermedi è stato il motore per la forte attività di ricerca e di ottimizzazione delle tecnologie a letto di polvere, ampiamente impiegate per il settore aerospaziale e biomedico.
Nelle loro diverse varianti costruttive, queste tecnologie prevedono la realizzazione di un
oggetto tridimensionale a partire da polvere (in questo caso metallica) consolidando strati successivi di materiale mediante un laser. I processi si suddividono a loro volta in diverse categorie, principalmente in funzione del processo di densificazione attuato:
- Selective Laser Sintering (SLS): le polveri non vanno a fusione ma vengono sinterizzate tra loro
- Selective Laser Melting (SLM): le particelle di polvere vengono fuse le une accanto alle altre a creare un compatto denso
Entrambi i processi lavorano sfruttando la realizzazione di strati solidi successivi, consolidati via via dall’azione di un laser il cui percorso è generato a partire dal disegno CAD del modello che si vuole realizzare.
Per molti aspetti, le due tecnologie sembrano analoghe e la loro ottimizzazione procede in parallelo (ottimizzazione delle dimensioni e della composizione delle polveri, generazione dei supporti, ri-uso del materiale non trattato termicamente).
La grossa differenza riguarda l’aspetto metallurgico, che vede coinvolti fenomeni fisici
differenti: trasformazioni di fase e flusso liquido per il processo SLM contro i fenomeni diffusivi del processo SLS.
Se da un lato quindi, la SLM permette di ottenere, con opportuna scelta della distribuzione granulometrica della polvere e dei parametri di processo, densità molto elevate, la SLS permette di realizzare componenti con composizioni altrimenti difficilmente ottenibili o metalli duri a scapito della densità, che dovrà essere ottimizzata attraverso un trattamento termico secondario.
Acciai da polvere, categoria “a parte”? In SteelBetter li conosciamo bene
Gli acciai prodotti con la metallurgia delle polveri, che permette variare la composizione chimica arricchendo la matrice di elementi in lega, tipicamente carbonio e vanadio, sono in buona sostanza acciai rapidi..
Nella metallurgia delle polveri, a “fare la differenza” sono dimensione e distribuzione (che deve essere omogenea) del grano.
La formazione di carburi, finemente dispersi nella matrice, conferisce loro una più spiccata resistenza all’usura. Rispetto agli acciai rapidi convenzionali, anche la tenacità e la resistenza a flessione sono incrementate dall’arricchimento di elementi in lega, finemente dispersi,
Nello stampaggio, in virtù delle caratteristiche ottenibili, gli acciai rapidi da polvere trovano largo impiego nelle lavorazioni a freddo, quali tranciatura fine ed estrusione, caratterizzate da sollecitazioni estreme dovute al tipo di lavorazione o al materiale lavorato, quale gli alto resistenziali.
Applicazioni interessanti riguardano lo stampaggio di materiali abrasivi, per esempio in presenza di fibre di vetro o di carbonio, a cui si può aggiungere l’azione corrosiva dovuta alla presenza di prodotti di scissione liberati alle alte temperature. Ma l’acciaio da polvere è utilizzato anche nelle lavorazioni a freddo caratterizzate da elevate pressioni da strisciamento che possono dar luogo, oltre all’usura abrasiva, anche a quella adesiva, più nota come incollaggio.
In questo caso, acciai da polvere con caratteristiche tribologiche anti-incollaggio, come gli acciai da polvere azotati, permettono la costruzione di stampi per lavorazioni a freddo che non richiedono trattamenti o rivestimenti anti adesione, costosi oltre che dispendiosi in termini di tempo. La famiglia di acciai da polvere azotati vanta anche un’altra caratteristica essenziale nella lavorazione all’utensile degli stampi: la lavorabilità di acciai altamente legati, prodotti secondo con metallurgia convenzionale, è molto più difficoltosa rispetto a quella di acciai da metallurgia delle polveri.
Questo comporta inevitabilmente un incremento dei costi di produzione, a scapito dell’economicità tanto invocata dal mercato.
Che altro osservare, dopo aver indagato attentamente il panorama di questa tecnologia e i pregi e i difetti delle sue applicazioni? Vale la pena di ricordare come le caratteristiche di un prodotto finito dipendano in larga parte dal tipo e dalle caratteristiche delle polveri impiegate.
Parlando un tema che è molto rilevante, è bene sapere che attualmente sono reperibili in commercio polveri a prezzi ragionevoli ottenute per:
- comminuzione meccanica: i processi meccanici di produzione di polveri sono usati per i pochi casi di metalli fragili, ad esempio antimonio e bismuto, o per triturare depositi spugnosi ottenuti per via elettrolitica. Tale tecnica non è molto usata oltre che per i costi dei molini che devono avere particolari proprietà meccaniche di durezza e resistenza, anche per l’inquinamento delle polveri per l’inevitabile usura dei martelli.
- metodo elettrolitico: alcuni metalli sono precipitabili in forma di polvere incoerente mediante una reazione di spostamento da una soluzione acquosa di un loro sale, ad esempio il rame mediante spostamento con zinco o ferro da una soluzione del suo solfato. Si ottiene con tale metodo un composto polverulento poco coerente che si frantuma facilmente per azione meccanica. Nella figura si possono osservare particelle di rame ottenute per via elettrolitica caratterizzate da una forma molto irregolare e da un’area superficiale molto elevata.
- riduzione di ossidi: per la decomposizione di ossidi si possono impiegare come agenti riducenti l’idrogeno, l’ossido di carbonio o il carbonio secondo le reazioni:
MO+H2=M+H2O
MO+CO=M+CO2
MO+C=M+CO
Alcuni metalli facilmente volatili, cioè che presentano alta tensione di vapore a temperature non molto elevate, possono ottenersi in forma di polveri, facendone condensare rapidamente su una superficie fredda il vapore prodotto con un sufficiente riscaldamento. - atomizzazione: il metodo più utilizzato di produzione di polveri metalliche consiste nella cosiddetta atomizzazione, cioè nella dispersione di una vena liquida della sostanza con un forte getto di gas o vapore. Inizialmente si produce la lega di cui si vuole ottenere la polvere nel forno elettrico e una volta pronta si spilla nella camera di atomizzazione. Lo spillo viene investito da un getto di acqua o gas inerte e ridotto in goccioline più o meno sferiche le quali solidificano e cadono sul fondo dove vengono raccolte.
Da qualsiasi parte la si guardi, la metallurgia delle polveri è un argomento complesso. Decidere se scegliere o no questa tecnologia non può essere un azzardo, vista la quantità delle competenze richieste e visto anche che si richiede una certa capacità di ‘guardarsi in giro per evitare di spendere una fortuna senza magari dotarsi delle risorse che effettivamente possono fare al caso tuo.
L’applicazione della metallurgia delle polveri apre indubbiamente molteplici opportunità sia nella produzione di un elevato numero di oggetti tutti uguali, permettendo di ottenerli in tempi ristretti, senza bisogno di lavorazioni successive e con una minimizzazione del materiale di scarto (facendo ricordo a tecnologie con il Metal Injection Moulding o le tecnologie di Field Assisted Sintering Technology per cui è prevista la realizzazione di uno stampo metallico), sia nella realizzazione di piccolissimi lotti produttivi o di pezzi unici, anche a livello prototipale, come nelle tecnologie di Additive Manufacturing.
Una poliedricità affascinante, da esplorare però ‘legandosi’, come se stessi arrampicando, a un valido sistema di sicurezza, che in SteelBetter trovi al tuo servizio. E sono proprio io, che oggi sono il mittente di questa ‘lettera’ a un ipotetico operatore che ha una commessa da mandare in produzione, o magari desidera aggiornarsi un po’ rispetto ai metodi tradizionali.