Tecnologie di produzione di polveri metalliche. Scuola italiana di metallurgia delle polveri Con la gentile ospitalità di Sacmi - Imola

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1 Tecnologie di produzione di polveri metalliche Scuola italiana di metallurgia delle polveri Con la gentile ospitalità di Sacmi - Imola Autore: Ing. Matteo Zanon Imola, 21 Novembre 2012

2 Tecnologie di produzione polveri metalliche Fisiche Atomizzazione Acqua Gas inerte Chimiche Riduzione Elettrolitica (Cu) Termochimica (ferro-spugna) Da metalloidi Precipitazione da liquido/gas Meccaniche Mulinatura Macinazione A impatto (Cold stream) 1

3 Atomizzazione ad acqua E la tecnica produttiva largamente più utilizzata per polveri di ferro e rame, per ragioni di efficienza ed economicità. La vena metallica viene disintegrata dai getti d acqua ad alta pressione, generando particelle di polvere con un ampia distribuzione granulometrica. Le variabili più importanti sono: anulare Flat-jet V-jet Configurazione degli ugelli Pressione dell acqua Rapporto portate acqua/metallo Angolo d impatto Surriscaldamento del bagno 2

4 Atomizzazione ad acqua Le particelle metalliche che si staccano dalla vena vengono ripetutamente colpite da altre particelle d acqua (atomizzazione secondaria), oltre a scontrarsi fra di loro. Ecosint (Fe1,4Cr0,8Mo0,4Ni) atomizzato ad acqua. L elevata velocità di raffreddamento, nell ordine dei 10 5 C/s fa sì che la forma irregolare venga preservata. Ideale per polveri da pressatura in stampo, grazie alla buona res. al verde così ottenuta. Non utilizzabile con materiali altamente ossidabili come il titanio. Per aumentare ulteriormente l irregolarità delle particelle si utilizzano piccole aggiunte di elementi ossidanti (vedi Cu-Mg) che rallentano la sferoidizzazione creando un film di ossido superficiale. 3

5 Ciclo produttivo polvere atomizzata (Ferro) (Rame) Fusione Atomizzazione Asciugamento Setacciatura Solo Riduzione per ox-red Imballo Miscelazione Omogeneizzazione Diffusione Macinazione 4

6 Atomizzazione a gas Utilizzata per polveri di stagno, zinco, alluminio, titanio, HSS, superleghe base Ni, polveri per MIM per ragioni legate all ossidabilità e al grado di purezza richiesti in questi materiali. La vena metallica viene disintegrata dai getti di gas ad alta pressione, generando particelle di polvere con un ampia distribuzione granulometrica. La variabile più importante è il rapporto gas/metallo; al suo aumentare decresce il diametro medio della polvere. I gas più utilizzati sono aria, azoto ed argon. 5

7 Atomizzazione a gas La differenza di velocità fra liquido e gas genera forze aerodinamiche che amplificano le fluttuazioni superficiali della vena metallica. Fenomeni di atomizzazione secondaria dividono ulteriormente le particelle così formatesi. Essendo la velocità di raffreddamento circa 100 volte inferiore a quella dell atomizzazione ad acqua (attorno ai 10 3 C/s), la forma delle particelle risulta essere sferica o quasi sferica. In condizioni ossidanti (es. atomizzazione ad aria di alluminio) le particelle risultano irregolari. Indispensabile per materiali molto reattivi, es. titanio, e quando sono necessarie purezze molto elevate. Polvere di acciaio inox atomizzata a gas 6

8 Processi secondari: Riduzione elettrolitica Lavaggio e neutralizzazione Centrifugazione Asciugatura (Riduzione e mulinatura) Setacciatura Miscelazione e imballo Il metallo viene disciolto in un bagno di acqua e acido solforico, e rideposto su barre insolubili periodicamente vibrate. La polvere si deposita sul fondo della vasca. 7

9 Riduzione elettrolitica La polvere risultante è di forma dendritica, altamente irregolare. La morfologia può essere alterata tramite le variabili di processo (corrente e concentrazione in primis), andando a creare un ampia gamma di prodotti, con una densità apparente compresa fra gli 0,5 ed i 3,5 g/cm 3. Le polveri più leggere hanno maggior superficie specifica, maggior contenuto di ossigeno e ovviamente maggior costo. Polveri di rame elettrolitiche a diverse densità apparenti: D. apparente = 2,30 g/cm 3 D. apparente = 1,12 g/cm 3 D. apparente = 0,52 g/cm 3 8

10 Altri metodi chimici Riduzione diretta del minerale (processo Höganäs) Il minerale di ferro viene ridotto con carbone e calcare all interno di tubi ceramici porosi, a temperature di 1260 C. Dopo successiva riduzione in idrogeno si ottiene una polvere spugnosa, con alta resistenza al verde. Riduzione di un derivato del minerale I minerali di tungsteno vengono dapprima disciolti in acqua usando reagenti basici, e poi tramite una reazione di scambio ionico si passa da Na 2 WO 4 a (NH 4 ) 2 WO 4. Il paratungstenato d ammonioviene cristallizzato tramite evaporazione dei solventi, calcinato e ridotto in idrogeno. Precipitazione da vapori (ferro e nichel carbonili) Fe(CO)5 e Ni(CO)4 liquidi vengono fatti evaporare a pressione atmosferica in reattori riscaldati; i vapori si decompongono termicamente generando una polvere molto fine (<10µm) e di elevata purezza (>99,5%). La forma può essere sferica (ferro) o irregolare (nichel).

11 Metodi meccanici La macinazione è utilizzata sia per comminuire metalli duri e fragili, sia per modificare la forma delle particelle di quelli duttili. Ball milling E la tecnologia più diffusa. Gli elementi macinanti vengono sollevati e fatti ricadere sulla polvere tramite il movimento rotatorio del mulino. Attrition milling L azione delle braccia orizzontali fa muovere le sfere macinanti contro le polveri. Per materiali duri (ceramici, carburi,ecc.) è più efficiente del mulino a palle. Non adatto per output elevati (>200 Kg/giorno). 10

12 Metodi meccanici La macinazione è utilizzata sia per comminuire metalli duri e fragili, sia per modificare la forma delle particelle di quelli duttili. Cold stream process Usato per polverizzare metalli duri in particelle dell ordine dei µm partendo da polveri grossolane. L impatto disgrega i film superficiali di ossido, che viene poi rimosso per separazione ad aria. Processo semplice e dai bassi costi operativi. 11

13 Metodi meccanici Polvere di Ti6AlV4 atomizzata a gas macinata: a b c a) Come ricevuta b) Dopo 4 ore c) Dopo 16 ore d e d) Polvere di Mg macinata tramite ball milling e) Polvere di Mg43Cu57 per idruri da stoccaggio idrogeno alligata meccanicamente 12

14 Sinottica riassuntiva Atomizzazione Metodi chimici Metodi fisici Ad acqua A gas Elettrolisi Riduzione ossidi Carbonile Dissoluzioneprecipitazione Macinazione Ferro xxx x xx x Acciai inox xxx xxx Acciai per utensili x xxx Rame xxx xx xx x Leghe base rame xxx xx Stagno Alluminio xxx xxx Magnesio xx xxx (di chips) Nichel x x xxx Cobalto x xxx x Metalli preziosi xx xxx x (di polvere) Metalli refrattari (W, Mo) xxx x (di polvere) Titanio xxx x (di idruri) XXX = tecnologia di produzione principale XX = tecnologia di produzione secondaria X = tecnologia di produzione di nicchia 13

15 Grazie per la Vostra attenzione Domande? 14