PROCESSI INNOVATIVI NELLA METALLURGIA DELLE POLVERI
 

Sono qui descritti alcuni processi innovativi. Alcuni di essi hanno gia' trovato sbocchi industriali significativi, altri si presentano di notevole interesse per i vantaggi applicativi che sembrano poter offrire.

Pressatura isostatica a freddo

E’ una tecnica di formatura di materiali incoerenti, in genere sotto forma di polvere, nella quale l’addensamento si genera per effetto dell’applicazione di una pressione tramite un liquido.

Il materiale da addensare e' contenuto entro forme deformabili, le cui pareti sono impermeabili. Il liquido al quale e' affidata la trasmissione della pressione e' acqua od olio.

Le pressioni di lavoro sono di solito comprese tra 200 e 500 MPa. L’operazione di pressatura viene eseguita a temperatura ambiente.

Questa tecnica permette di raggiungere addensamenti fra il 60 e l’80%.

In linea di principio e' possibile distinguere tra due tecnologie differenziate.

In entrambi i casi si usano forme presagomate realizzate in materiali elastomerici, le quali hanno la funzione di contenere la polvere (o le miscele di polveri) prima e durante l’addensamento.

Nel caso in cui la matrice e' fissata al contenitore a pressione la tecnologia si designa con l’espressione: pressatura isostatica a sacco secco.

Quando invece la matrice puo' essere estratta dal cilindro la tecnica viene designata con l’espressione: pressatura isostatica a sacco umido.

Dopo la pressatura isostatica, i pezzi al verde, come vengono chiamati i pezzi solo pressati, vengono sinterizzati.

Alcuni punti di forza della pressatura isostatica a freddo sono:

  • la possibilita' di ottenere in modo economico delle forme complicate perche' la pressione si distribuisce in modo piu' omogeneo nel materiale nella forma
  • la possibilita' di dare agevolmente forma a materiali di difficile elaborazione
  • la possibilita' di controllare la frazione di porosita' del materiale

Pressatura isostatica a caldo

E’ una tecnica di formatura del materiale in polvere nella quale agiscono simultaneamente la pressione di un gas e l’elevata temperatura.

Un fluido in compressione comprime in modo isostatico, dall’esterno, su dei contenitori sigillati nei quali, preventivamente, era stata immessa della polvere, fino al riempimento completo.

La temperatura e' elevata, in termini relativi, per il materiale da addensare; essa va dai 480 °C impiegati per l’alluminio ai 1700 °C che si raggiungono nella pressatura isostatica a caldo del tungsteno. Il gas normalmente utilizzato e' l’argon, che viene compresso, secondo i pesi, fra 20 e 300 MPa.

Le azioni simultanee della pressione e della temperatura (superiore a quella di ricristallizzazione del materiale) provocano insieme l’addensamento e la sinterizzazione del materiale.

Un’attenzione particolare deve essere rivolta alla valutazione preventiva dei ritiri di sinterizzazione.

Se indichiamo con:

r la massa volumica apparente della polvere

r c la massa volumica del materiale finale

la densita' iniziale, D, e' data da:

L’annullamento degli spazi vuoti fra le particelle comporta una variazione del volume specifico, D V, rispetto al volume specifico iniziale, Vi, data da:

nella quale Vf e' il volume specifico finale.

Data la definizione di D, e' anche:

In base alle relazioni precedenti e' possibile mettere in relazione la variazione di volume con il ritiro dimensionale lineare, supposto isotropo.

Nel caso semplice di un cubo di lato l si ha:

V = l3

ln V = 3ln l

La diminuzione di lunghezza del lato del cubo e' data da:

Se si tiene conto della precedente relazione, si ricava:

quindi

Cio' significa che, essendo D dell’ordine di 0,4-0.6, i ritiri lineari variano fra il 15 e il 25%.

Da un punto di vista piu' generale, le esigenze funzionali dei contenitori sono legate a:

il controllo della forma e della dimensione prima e durante il processo;

la conservazione della tenuta durante e dopo il degasaggio e nel corso dell’addensamento, quando le capsule sono soggette a forti deformazioni elastiche e plastiche (deformazioni legate ai ritiri);

la necessita' di non contaminare la polvere con sostanze non metalliche generate da scorrimenti reciproci durante il processo;

l’inerzia chimica nei riguardi del materiale in trattamento e l’assenza dei fenomeni d’inquinamento per diffusione;

la possibilita' di rimuovere le capsule, per via chimica o meccanica, senza alterare o comunque danneggiare il materiale sinterizzato.

Formatura delle polveri direttamente in atomizzazione

Con questa espressione si intende designare il processo di produzione di pezzi sbozzati, nel quale le particelle minute ottenute per atomizzazione solidificano entro apposite forme di preformatura.

Date le condizioni esistenti nell’ambiente (temperatura di poco inferiore a quella di fusione e atmosfera inerte), il materiale che cade nella forma vi sinterizza con rapidita' replicandone la configurazione geometrica. La temperatura esistente e' tale che la forma non viene distorta o alterata.

La cessione di calore all’esterno da parte del materiale sinterizzato, ed il ritiro di sinterizzazione, provocano una diminuzione di quote che consente di rimuovere, agevolmente il pezzo grezzo dalla forma.

Questo pezzo grezzo, che risulta poroso, viene condizionato termicamente e, quindi, stampato a caldo immediatamente.

Questo processo viene designato come Processo Osprey.

Le forme necessarie sono realizzate in ceramica di tipo refrattario o in rame con raffreddamento forzato a circolazione d’acqua.

Le condizioni all’interno delle matrici sono tali da favorire l’efficacia della sinterizzazione, che si traduce in densita' generalmente superiori al 95%.

L’elevatissimo addensamento che il materiale raggiunge gia' prima della rimozione dei grezzi dalle forme ne cancella la porosita' intercomunicante e, quindi, minimizza i possibili problemi da ossidazione nelle fasi successive.

Il processo Ceracon

Il termine Ceracon deriva dalla combinazione delle parti iniziali delle parole "ceramic" e "consolidation". Esso designa un processo do addensamento in preforme metalliche porose effettuato a caldo in condizioni pseudoisostatiche.

Durante l’addensamento, un mezzo ceramico, in forma granulare, trasmette la pressione da un pistone di una pressa alla preforma sinterizzata che esso circonda.

Sostanzialmente il processo Ceracon puo' essere considerato una derivazione della pressatura isostatica a caldo. In questo caso, pero', la funzione del gas e' esercitata dal materiale ceramico in granuli entro il quale e' completamente annegato il pezzo da addensare, con il fortissimo vantaggio pratico di una riduzione a livelli bassissimi dell’energia elastica accumulata dal mezzo di compressione. Sia la preforma che i granuli di materiale ceramico vengono preriscaldati alla temperatura prescelta per l’addensamento.

Condizione essenziale per la riuscita dell’operazione e' che la preforma sia completamente annegata nella massa granulare ceramica e che questa sia distribuita in modo uniforme.

Le preforme non devono essere necessariamente incapsulate, anche se puo' risultare opportuno ricoprirle adeguatamente, per proteggerne le superfici dall’azione di retta di spinta dei granuli ceramici.

La forma di addensamento viene posta sotto una pressa, in modo tale che un punzone, azionato per via meccanica o per via idraulica, possa penetrare al suo interno e premere sul materiale ceramico. La pressione agente su questo viene trasmessa, da tutti i lati, al materiale sinterizzato poroso. In condizioni operative idonee si riesce a eliminare tutta la porosita'.

Pressatura rapida omnidirezionale

Con questa espressione si designa un procedimento brevettato, di costo relativamente contenuto, che puo' essere impiegato per la formatura e l’addensamento completo di pezzi. In generale si ottengono sia pezzi grezzi, o sbozzati, che di forma quasi finita.

Tipica di questo processo e' la limitata esposizione del materiale alle alte temperature. Da questa condizione favorevole discendono strutture microcristalline molto fini ed eccellenti proprieta' meccaniche.

L’elemento distintivo che caratterizza univocamente il processo e' il contenitore nel quale viene introdotta la polvere, che e' una matrice fluida a pareti spesse.

Mediante un pistone, che preme dall’esterno sulla matrice fluida, questa viene compressa e, a sua volta, preme da tutte le direzioni sul materiale che deve essere addensato.

La matrice viene definita fluida perche' il materiale che la costituisce diventa suscettibile di scorrimento plastico nelle condizioni di lavoro.

Ad esempio, per un acciaio contenente 0,20% di carbonio, il processo viene effettuato a circa 1100 °C, con pressioni dell’ordine di 900 MPa. Quando la spinta del punzone agisce dall’esterno sulla matrice fluida, le pareti spesse di questa agiscono come elementi fluidi incomprimibili ed esercitano una pressione di tipo idrostatico sulla polvere che contengono.

Prima che avvenga l’applicazione di pressione dall’esterno, la matrice fluida viene riempita di polvere, degassata, sigillata, preriscaldata alla temperatura di addensamento prevista per il materiale e posizionata entro uno stampo cavo.

I materiali che presentano elevata, sensibilita' agli effetti termici, come ad esempio le polveri solidificate ad altissima velocita', possono conservare la loro struttura metastabile ed i conseguenti vantaggi specifici. Questo risultato positivo deriva dalla combinazione favorevole di tempo breve e bassa temperatura; e' inoltre sempre assicurata l’eliminazione completa di ogni dannosa porosita' residua.

Il processo Stamp

Nel processo Stamp il metallo o la lega metallica di partenza vengono fusi in un forno ad induzione, sotto vuoto o in aria, secondo le esigenze di ordine chimico del materiale in trasformazione.

Il metallo fuso viene poi atomizzato con azoto o argon. Dato il fluido di atomizzazione le particelle hanno forma sferica; il contenuto di ossigeno, essenzialmente legato alle modalita' di fusione, puo' scendere a meno di 100 ppm.

La polvere cosi' ottenuta viene chiusa in contenitori di forma cilindrica semplice, i quali vengono sigillati e degassati.

Dopo preriscaldo e successivo stampaggio a caldo si ottengono dei pezzi grezzi completamente esenti da porosita'.

Il processo stampo ha trovato applicazioni per la produzione di acciai bassolegati, acciai per utensili, acciai inossidabili, con tutti i vantaggi derivanti da una struttura cristallina molto fine, esente da macrosegregazioni e fibrosita'.

Produzione di polveri da liquido con solidificazione ultrarapida

Nell’atomizzazione tradizionale, per quanto possa essere rapida la diminuzione di temperatura della particelle atomizzate, riescono sempre a decorrere i meccanismi che portano alla formazione di germi di cristallizzazione ed al successivo sviluppo di microstrutture cristalline definite.

Quando, invece, vengono superate velocita' di raffreddamento di tipo critico, si entra in un settore della metallurgia che diventa completamente nuovo. In questo settore si raggiungono velocita' di raffreddamento che possono arrivare fino 10.000.000 °C/s.

L’effetto principale di queste fortissime variazioni termiche e' la scomparsa di ogni possibilita' di movimenti diffusionali nel materiale. In molti casi gli atomi non riescono ad occupare le posizioni di equilibrio nei cristalli, alle quali competono i minimi livelli energetici del sistema, posizioni di equilibrio che verrebbero invece raggiunte a velocita' di raffreddamento meno elevate.

Le leghe a solidificazione ultrarapida possiedono, in generale, elevato omogeneita' chimica, con presenza di fasi metastabili, come ad esempio soluzioni solide sovrassature, ed addirittura strutture amorfe.

Le tecniche ideate per realizzare queste condizioni di scambio termico ultrarapido sono diverse. Quelle relativamente piu' diffuse sono:

la filatura di un liquido in vena sottile che colpisce un blocco rotante "congelato", con raffreddamento interno;

la rotazione di un disco dentato sottile sul pelo del liquido di una massa metallica fusa, che porta la formazione di elementi fibrosi;

l’atomizzazione con gas a velocita' ultrasonica con pulsazioni controllate;

l’atomizzazione centrifuga.