Tecnologia di produzione ecologica - Metallurgia delle polveri

La metallurgia delle polveri è un metodo di lavorazione che utilizza polvere metallica come materia prima, la quale viene pressata e sinterizzata per realizzare diversi prodotti. Non si tratta di un processo o di una tecnologia nuovi e può persino essere fatta risalire all'antico Egitto. Tuttavia, nell'attuale ricerca di uno sviluppo sostenibile e di uno sviluppo verde, è in linea con l'evoluzione dei tempi e viene utilizzata sempre più spesso. Oggi daremo un'occhiata a questo metodo di produzione, che potrebbe offrire a tutti una nuova scelta per la realizzazione dei componenti.

Processo
La metallurgia delle polveri è simile alla forgiatura o alla fusione, ma la differenza è che la materia prima è costituita da polvere metallica (comunemente ferro, acciaio, rame, ecc.). Le materie prime in polvere vengono pressate a temperatura ambiente (riscaldate in casi particolari) utilizzando stampi complessi. Le dimensioni del pezzo pressato sono vicine a quelle del prodotto finito, ma le sue proprietà meccaniche sono ancora instabili. Per rafforzarlo ulteriormente, viene quindi sinterizzato a una temperatura vicina, ma leggermente inferiore, al punto di fusione del metallo utilizzato. In questo momento, la microstruttura del prodotto cambia e si ottiene un componente con dimensioni precise e alta resistenza.

In generale, i componenti ottenuti mediante metallurgia delle polveri possono essere utilizzati direttamente, ma possono anche essere sottoposti, se necessario, a lavorazioni secondarie, come finitura, trattamento termico, galvanica o rivestimento, pallinatura, ecc., per aumentare o migliorare la tolleranza, la densità, la resistenza, la forma, la resistenza alla corrosione e altre proprietà dei componenti. Vantaggi della metallurgia delle polveri Rispetto ad altre tecnologie di produzione e fabbricazione, la metallurgia delle polveri produce quasi nessuno spreco di materiale, il tasso di utilizzo del materiale supera il 97% e consente di formare direttamente geometrie complesse mantenendo uno stretto controllo delle tolleranze dimensionali nei prodotti sinterizzati, riducendo o eliminando completamente le operazioni di lavorazione dei processi di produzione tradizionali. Per questo la chiamiamo tecnologia di produzione verde. Oltre al risparmio ottenuto grazie a questi processi, la metallurgia delle polveri presenta caratteristiche proprie. Sfrutta i vantaggi delle materie prime sotto forma di polveri per ottenere controlli difficili o impossibili da realizzare con i metodi di lavorazione tradizionali, come il controllo del rapporto tra le combinazioni della composizione chimica, il controllo della microstruttura e il controllo della porosità. Esaminiamo alcuni esempi specifici di prodotti per migliorare la comprensione.

1. Combinazione di materiali incompatibili

La metallurgia delle polveri consente di lavorare combinazioni di materiali normalmente considerati incompatibili in forme ibride intimamente unite.
Esempi consolidati di applicazioni della metallurgia delle polveri includono: materiali d'attrito per guarnizioni dei freni e superfici dei dischi della frizione, nei quali una gamma di materiali non metallici (utilizzati per conferire resistenza all'usura o controllare i livelli di attrito) è incorporata in una matrice di rame o ferro. I metalli duri sinterizzati sono comunemente utilizzati per utensili da taglio, utensili per formatura o abrasivi. Comprendono una fase dura legata a un metallo, una microstruttura che può essere prodotta solo mediante sinterizzazione in fase liquida a temperature superiori al punto di fusione del legante. Il carburo di tungsteno legato al cobalto è il principale esempio di questo tipo di materiale, ma sono disponibili anche altri metalli duri sinterizzati, inclusa una gamma di altri carburi, nitruri, carbonitruri o ossidi; inoltre, come leganti possono essere utilizzati metalli diversi dal cobalto (Ni, Ni-Cr, nichel-cobalto, ecc.).

Materiali per utensili da taglio diamantati, nei quali una grana fine di diamante è dispersa uniformemente in una matrice metallica. Anche in questo caso, nella lavorazione di questi materiali viene impiegata la sinterizzazione in fase liquida. Materiali per contatti elettrici come rame/tungsteno e argento/ossido di cadmio.

2. Lavorazione di materiali con punti di fusione molto elevati
La tecnologia della metallurgia delle polveri consente di lavorare materiali con punti di fusione molto elevati, inclusi metalli refrattari come tungsteno, molibdeno e tantalio. Questi metalli sono difficili da produrre mediante fusione e colata e spesso sono molto fragili allo stato fuso. La produzione di billette di tungsteno è stata una delle prime applicazioni della metallurgia delle polveri, successivamente utilizzata per trafilare i fili delle lampade a incandescenza.

3. Prodotti con porosità controllata
La tecnologia della metallurgia delle polveri può produrre prodotti con porosità strutturale controllata. Gli elementi filtranti sinterizzati sono un esempio di questa applicazione. Un altro esempio importante è rappresentato dai cuscinetti impregnati d'olio o autolubrificanti, una delle applicazioni più antiche della metallurgia delle polveri, in cui la porosità interconnessa della struttura sinterizzata viene utilizzata per contenere l'olio lubrificante.

4. Prodotti con proprietà superiori
In alcune applicazioni specifiche, il processo di metallurgia delle polveri può spesso produrre proprietà superiori grazie all'eccellente controllo della microstruttura, rispetto ai processi convenzionali di fusione o forgiatura. Buoni esempi di tali applicazioni sono:

Materiali magnetici
Quasi tutti i magneti duri (permanenti) e circa il 30% dei magneti morbidi vengono lavorati a partire da materie prime in polvere. Rispetto ai prodotti forgiati, gli acciai rapidi e i materiali lavorati mediante metallurgia delle polveri presentano microstrutture più fini e controllabili, maggiore tenacità e migliori prestazioni di taglio. Superleghe a base di nichel o cobalto Le superleghe a base di nichel o cobalto sono utilizzate nelle applicazioni dei motori aerospaziali, dove i processi di metallurgia delle polveri possono fornire un intervallo di composizione e un controllo della microstruttura non ottenibili con i metodi convenzionali, migliorando così le temperature di esercizio e le prestazioni. Limitazioni della metallurgia delle polveri Sebbene la metallurgia delle polveri presenti diversi vantaggi, esistono ancora alcune limitazioni nella sua applicazione. I punti principali sono i seguenti:

(1) Dimensioni e peso dei componenti limitati: la metallurgia delle polveri richiede un processo di pressatura, che utilizza una pressa. Pertanto, a causa degli attuali limiti della capacità della pressa, le dimensioni non possono essere molto grandi, generalmente al massimo intorno ai 250 mm. Inoltre, a causa della fluidità limitata delle polveri metalliche, è ancora difficile produrre componenti di peso superiore a 20 kg utilizzando il processo di metallurgia delle polveri.
(2) Non adatta ad applicazioni con urti e carichi dinamici Poiché la densità dei componenti ottenuti mediante metallurgia delle polveri è generalmente bassa, la loro resistenza e tenacità non sono pari a quelle dei componenti forgiati o lavorati meccanicamente. I pori presenti dopo la compattazione e la sinterizzazione della polvere influenzano inoltre le proprietà meccaniche del materiale. Ciò rende i componenti ottenuti mediante metallurgia delle polveri meno adatti alle applicazioni con sollecitazioni e deformazioni elevate, come gli urti e i carichi dinamici elevati.
(3) Costi più elevati di attrezzature e stampi
Il processo di metallurgia delle polveri richiede l'uso di stampi e attrezzature speciali, con costi relativamente elevati. Non è conveniente nella produzione di piccoli lotti, quindi la metallurgia delle polveri è generalmente adatta alla produzione su larga scala.