Sinterizzazione. Il processo di sinterizzazione. π = D

Transcript

1 Sinterizzazione (M. Casalboni, F. De Matteis) La sinterizzazione è un processo che permette di ottenere corpi solidi di forma definita a partire da polveri di materiali diversi pastiglie di aspirina filamenti di lampadine (Edison) getti dei motori dei razzi ceramiche per trasduttori ultrasonici mattoni per costruzioni Ci sono vari metodi di sinterizzazione ma le caratteristiche comuni sono: 1. fase di compressione delle polveri. fase di compattamento termico del grezzo (green) In queste due fasi le particelle di polvere si uniscono progressivamente aumentando la densità dell oggetto. antaggi: 1. La temperatura impiegata per la sinterizzazione è più bassa della temperatura di fusione del materiale. Questo è particolarmente utile in alcuni metalli e nei ceramici. Si possono ottenere forme molto complesse senza lavorazioni costose su materiali ad elevata durezza. Economicità Il processo di sinterizzazione Il concetto guida che sta alla base del processo di sinterizzazione è l energia di superficie. Per le polveri, lenergia di superficie per unità di volume è tanto più grande quanto più piccoli sono i grani. Questo vuol dire che se un grano di polvere metallica si unisce ad un altro c è un aumento di volume, ma diminuizione di superficie ed una conseguente diminuizione dell energia. Il processo è quindi energeticamente favorito. Consideriamo un semplice modello geometrico con sfere di diametro D. D 4 D π π D 6 D A 4π πd La sfera è formata da n atomi ciascuno di volume Ω (ne segue che nω). Se la sfera subisce un aumento di numero di atomi dn varierà il suo volume e la sua superficie.

2 Per il volume: Analogamente per l area: nωl ; L π D 6 d dnωl ; Ld π D dd dd dn Ω πd A πd da dd 4Ω π D dn dn D Ora la differenza di potenziale chimico relativa al cambio di energia di superficie dovuta all aggiunta dei nuovi atomi (dn atomi!) sarà proporzionale a questa variazione di area: da 4Ω U γ γ dn D Questa equazione ci dice qualcosa sul contenuto energetico della particelle in funzione della loro dimensione. Se il sistema è composto da particelle sia concave che convesse inoltre U<0 U>0 U0 ambedue tenderanno verso la superficie piana.

3 Particelle sferiche convesse Sorgenti di massa Pori concavi Pozzi Nella sinterizzazione c è un Flusso di Massa

4 A questo punto possiamo introdurre alcune definizioni formali: Sinterizzazione: trattamento termico per legare particelle in una struttura solida coerente attraverso trasporto di massa a livello microscopico (atomico) con aumento della resistenza e una diminuizione dell energia del sistema. Si osserva attraverso misure di : M Densità: massa per unità di volume. Inizialmente la polvere non riempie totalmente lo spazio ma solo al 60%; anche sotto pressione c è porosità. Green : struttura iniziale della polvere a bassa densità che può essere formata compattando (comprimendo) la polvere per formare compresse. Compresse: strutture solide non resistenti con densità maggiore della polvere (ma minore di quella che si otterrebbe, per esempio, per fusione). Densità relativa (o frazionaria): è la percentuale della densità teorica del solido che si raggiunge nei diversi stadi della sinterizzazione. S 1 S P T T 1 Area superficiale: passa, durante la sinterizzazione, da un valore molto alto (solido poroso!) al valore geometrico della forma ottenuta (ad esempio un cilindro). Questa diminuizione è misurata dal parametro adimensionale S. S 0 X Neck size ratio : il parametro cresce al procedere del processo D D X di sinterizzazione, attraverso spostamenti di atomi. Ritiro lineare ( shrinkage ): variazione della dimensione dell oggetto, comunemente una diminuizione, con conseguente aumento della densità. [Ma ci L può essere anche un aumento (swelling)]. E facile da misurare direttamente e può essere collegato all aumento di densità ipotizzando un processo isotropo. s L 0 G 1 L L0 Si può pensare che per avere buoni materiali è essenziale avere il massimo della densità finale. Tuttavia grandi valori di shrinkage comportano spesso deformazioni: Questo è un problema perché la forma degli oggetti deve essere preservata.

5 Allora sarebbe auspicabile partire da green già molto densi (vicini il più possibile alla densità teorica), ottenuti applicando alte pressioni alla polvere. Ma se il green è denso, è più difficile estrarre l aria dai piccoli pori residui. Rampe molto lente di temperatura sono necessarie. E più conveniente partire da una densità teorica del 60% - 70%.