Metal Injection Molding. LEGA DI TITANIO Ti-6Al-4V.

Transcript

1 Metal Injection Molding LEGA DI TITANIO Ti-6Al-4V

2

3 Metal Injection Molding Introduzione Dal 1940, anno in cui William Justin Kroll ideò il processo Kroll, usato industrialmente per estrarre il titanio metallico dal minerale, le applicazioni di questo materiale e delle sue leghe sono andate costantemente crescendo. ([1]. T. Ebel, Handbook of metal injection molding: Metal injection molding (MIM) of Titanium and titanium alloys, Donald F. Heaney). Tuttavia, rispetto all acciaio, la produzione annuale di titanio è ancora bassa e gli utilizzi sono limitati principalmente all industria chimica, all industria delle strutture offshore e ai campi dell aerospaziale, dell automotive e del biomedicale. Queste applicazioni sono strettamente legate sia alle caratteristiche che il titanio presenta, quali: elevata resistenza meccanica rispetto alla densità, eccellente resistenza a corrosione in acqua di mare e contro agenti chimici, biocompatibilità, sia alle sue proprietà estetiche. Infatti, l alto costo della materia prima e delle lavorazioni del titanio, ne limitano le applicazioni a campi in cui sono essenziali le proprietà specifiche del materiale stesso e, al contempo, possono essere tollerati costi elevati. Il MIM - Metal Injection Molding - è la tecnologia adatta per processare il titanio e le sue leghe: si tratta infatti di una tecnologia net shape grazie alla quale si ha uno scarto minimo di materiale, con bassi costi di produzione per lotti sufficientemente elevati. La lavorazione alla macchina utensile del titanio è molto costosa a causa della bassa velocità di processo e dell elevato costo degli utensili, pertanto le geometrie che si ottengono con questi metodi tradizionali sono semplici e, spesso, non ottimizzate alla funzionalità del componente. Al contrario, il MIM è l ideale per ottenere componenti di elevata complessità geometrica con tempi e costi ridotti, e quindi offre la possibilità di introdurre questo materiale in altri campi di utilizzo [1].

4 Proprietà dei campioni MIM di Ti-6Al-4V processati da Silcon Plastic srl Silcon Plastic srl, a seguito di uno studio realizzato in collaborazione con l Università degli Studi di Trento, è in grado di produrre componenti MIM in lega di titanio Ti-6Al-4V con ottime proprietà meccaniche. Tali proprietà sono superiori rispetto a quelle riportate nel già sopra citato manuale Handbook of metal injection molding che raccoglie dati derivanti da vari studi europei. In tabella 1 vengono presentate le proprietà meccaniche e fisiche della lega Ti-6Al-4V processata con tecnologia MIM da Silcon Plastic srl. Si può notare che i valori del contenuto di elementi interstiziali, quali ossigeno, carbonio e azoto Tabella 1 rientrano nei limiti massimi tollerati dalla scheda tecnica del materiale. Questo significa che l intero ciclo produttivo è svolto in condizioni ottimali, in modo particolare in relazione all atmosfera presente nel forno di debinding e nel forno di sinterizzazione. Avere il pieno controllo degli elementi interstiziali durante il ciclo termico è la vera sfida quando si processa una lega di titanio. Infatti un contenuto eccessivo di questi elementi porterebbe ad un forte infragilimento del materiale. Come si vede da tabella 1 le proprietà meccaniche superano i valori minimi raccomandati dalla scheda tecnica. O [wt %] C [wt %] N [wt %] σy [MPa] UTS [MPa] E [GPa] εf [%] Silcon Plastic MIM Ti-6Al-4V 0,24 0,05 0, Datasheet values Max 0,25 Max 0,08 Max 0,05 Min 750 Min 850 Not reported Min 6 In figura 1 viene rappresentata la curva di trazione tipica dei campioni di Ti-6Al-4V prodotti da Silcon Plastic srl e si può osservare come questi campioni presentino un elevata duttilità, a conferma del fatto che il contenuto di elementi interstiziali è tenuto sotto controllo durante tutto il ciclo produttivo. Figura 1 curva sforzo-deformazione dei provini di Ti-6Al-4V prodotti da Silcon Plastic srl Figura 2 mostra le proprietà della lega Ti-6Al-4V processata da Silcon Plastic srl con tecnologia MIM, confrontati con quelli riportati in [1]. Si può osservare come le proprietà meccaniche dei campioni prodotti da Silcon Plastic srl siano migliori rispetto a quelle riportate in [1].

5 Metal Injection Molding Questi valori, inoltre sono confrontati con quelli raccomandati dalla normativa ASTM per prodotti forgiati ed è evidente che i prodotti MIM processati da Silcon Plastic srl rientrino in tali normative % ASTM Grade 5 ASTM Grade єf ASTM Grade 5 ASTM Grade 23 Ti6AI4V Silcon Plastic srl MPa Ti6AI4V Handbook of metal injection molding YS medio ASTM Grade 5 ASTM Grade MPa UTS medio Figura 2 confronto tra le proprietà meccaniche dei provini di Ti-6Al-4V prodotti da Silcon Plastic srl e quelle riportate sul manuale Handbook of metal injection molding [1]

6 In figura 3 viene riportata la superficie di frattura dei provini di trazione. Questa è interamente costituita da dimples (che sono indici di frattura duttile) a conferma che è stato raggiunto un controllo ottimale del contenuto di elementi interstiziali. Figura 3 superficie di frattura dei provini di Ti-6Al-4V prodotti da Silcon Plastic In figura 4 è mostrata la microstruttura del materiale processato da Silcon Plastic srl. Si può osservare una porosità molto fine, di geometria sferica e distribuita in modo omogeneo, che è una proprietà intrinseca di tutti i prodotti MIM e non è visibile ad occhio nudo. Figura 4 microstruttura dei provini prodotti da Silcon Plastic srl

7

8 Belluno Milano Venezia Firenze ITALIA Roma Napoli Cagliari Palermo molding & components OVER 25 YEARS OF SUCCESS Zona Industriale, n FORNO DI ZOLDO Belluno - Italia Tel Fax