MATERIALI SINTERIZZATI Sono ottenuti con la cosiddetta Metallurgia delle polveri, che consiste nella compattazione e trasformazione di materiali ridotti in polvere in un composto indivisibile. Sono utilizzati polveri di materiali ferrosi, quali acciai al carbonio, al nichel, al rame, ma anche di materiali non ferrosi, quali rame od ottone. Caratteristiche delle polveri sono: - Densità (o porosità), rapporto tra la massa ed il volume; maggiori densità si ottengono con polveri fini. - Densità relativa, rapporto tra la densità di una polvere e quella del materiale prevalente da cui proviene la polvere stessa. - Scorrevolezza, attitudine della polvere a scorrere sotto l azione del proprio peso. - Granulometria, dimensione dei grani che costituiscono la polvere - Comprimibilità, attitudine della polvere all aumento della sua densità quando è sottoposta a compressione. La Metallurgia delle polveri passa attraverso le seguenti fasi: 1) Miscelazione delle polveri Gli elementi della lega (polveri metalliche, diverse e ben dosate, delle dimensioni da 1 a 1 000 μm) vengono miscelati con l aggiunta o meno di un lubrificante al fine di ottenere una mescola omogenea. 2) Pressatura delle polveri Le polveri miscelate vengono pressate a freddo, mediante presse, dentro appositi stampi in acciaio o metallo duro con una pressione che dipende dalla densità che si vuole ottenere sul pezzo stampato (si può arrivare anche a 20 000 [bar] con le presse più potenti). Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 1
Il materiale compresso rimane aggregato grazie alla saldatura a freddo che lega i vari grani di polvere. Dopo la pressatura, le superfici di contatto dei granuli sono aumentate e gli spazi tra di essi si sono ridotti. Si producono così pezzi il cui peso unitario va dal grammo al chilogrammo con cadenza, nel caso di parti di media complessità, che va dal centinaio al migliaio di pezzi all ora. 3) Sinterizzazione Questo processo, che avviene utilizzando forni speciali ad atmosfera controllata (idrogeno, elio, argon), o comunque sottovuoto per evitare ossidazioni, consiste nel portare il pezzo pressato ad una temperatura al di sotto di quella di fusione (circa 0,7 0,9 volte), con durata del riscaldamento variabile da materiale a materiale, che consente agli elementi del composto di ridurre le sue dimensioni con l eliminazione delle porosità e di legare tra di loro. Nel caso di miscele di polveri, la temperatura deve superare il punto superiore del materiale a temperatura di fusione più bassa. I granuli, che hanno dimensioni dell ordine di μm, già compenetratisi nella fase di pressatura, si saldano tra loro ed assumono una struttura monolitica grazie alla formazione di legami metallurgici. Si ha in pratica una ricristallizzazione del materiale metallico, che non risulta più incrudito dalla precedente pressatura a freddo e si genera un nuovo solido avente una propria struttura cristallina. In questa fase di produzione il particolare acquisisce le caratteristiche meccaniche necessarie a soddisfare le esigenze per il suo impiego. Qualora la forma, le tolleranze e le proprietà fisico-meccaniche sono corrispondenti a quelle previste in fase di progettazione, i pezzi sinterizzati possono essere avviati direttamente al montaggio, senza alcuna operazione di ripresa. Se necessario, possono essere effettuate lavorazioni secondarie. Dopo la sinterizzazione può essere eseguita una ricompressione per ridurre la porosità ed una nuova sinterizzazione per aumentare la densità con un sensibile incremento delle proprietà meccaniche richieste nel caso di componenti strutturali dinamicamente molto sollecitati. Può essere effettuata una calibratura dei particolari sinterizzati per ottenere tolleranze di qualità IT 10 IT 12. I particolari sinterizzati possono essere sottoposti a rivestimenti quali la zincatura e la nichelatura e possono subire una impregnazione di olio o resina con lo scopo di riempire i pori ed aumentare la resistenza all usura nei meccanismi soggetti a strisciamento (es.: boccole). Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 2
Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 3
Norme di progetto dei sinterizzati Lo stampaggio dei sinterizzati, ottenuti tramite compressione delle polveri metalliche, è il processo con cui si producono circa il 90% dei sinterizzati oggi nel mondo. Il costo degli stampi e degli impianti è alquanto elevato, ma risulta molto competitivo nel caso di produzione di media o grande serie. Si producono particolari in sinterizzato con tale tecnologia partendo da polveri di acciaio inox e al carbonio, dall ottone e dal rame. Nella maggior parte dei casi lo stampato ottenuto, dopo la fase di sinterizzazione in forno, è già pronto per l uso, in quanto le misure ottenute sono quelle finite, senza necessità di ulteriori lavorazioni. Di seguito è riportata una tabella con le tolleranze raggiungibili di stampaggio, senza ulteriori lavorazioni meccaniche sia in senso assiale che radiale: Dimensione nominale Tolleranza radiale +/- Tolleranza assiale +/- < 3mm 0,06 mm 0,10 mm da 3 a 6mm 0,07 mm 0,10 mm da 6 a 15mm 0,08 mm 0,12 mm da 15 a 30mm 0,15 mm 0,18 mm da 30 a 60mm 0,20 mm 0,25 mm oltre 60 mm 0,5 % della misura nominale 0,6 % della misura nominale Nel caso fosse necessario arrivare a tolleranze più ristrette, si può procedere con una successiva fase di calibratura o intervenendo sugli stampati con metodologia tradizionale tramite asportazione di materiale tramite tornitura o lavorazione a CNC seguendo particolari accorgimenti. Una corretta progettazione dei prodotti sinterizzati deve tenere conto delle seguenti considerazioni: 1) Eventuali fori presenti devono avere diametro inferiore a 0,5 [mm] e la distanza di tali fori dal bordo del pezzo deve essere anch essa inferiore a 0,5 [mm]. 2) Evitare la presenza di cavità strette e profonde, che richiedono la costruzione di matrici con sezioni ridotte e quindi deboli. 3) Evitare la presenza di razze lunghe e sottili, che rendono difficile il defluire della polvere durante il riempimento della cavità. 4) Sostituire gli spigoli vivi con raccordi, che favoriscono il riempimento della cavità della matrice e migliorano la robustezza del pezzo. 5) Evitare le pareti sottili aventi spessori inferiori a 0,8 [mm], che limitano il defluire della polvere. 6) Prevedere angoli di spoglia (o di sformatura). Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 4
Caratteristiche ed impieghi dei materiali sinterizzati Le caratteristiche dei sinterizzati sono influenzate dalla porosità (o densità). La presenza di pori rende il materiale meno tenace e resistente. La porosità riduce la quantità di materiale effettivamente presente in una data sezione e, in presenza di sollecitazioni, i pori determinano un effetto intaglio tanto più elevato quanto più bassa è la densità relativa. La figura che segue riporta l andamento delle caratteristiche tensili (carico di rottura) degli acciai sinterizzati al carbonio (a) e degli acciai legati al nichel, cromo e molibdeno (b). Per quanto riguarda la durezza, l impronta che si determina nei materiali sinterizzati è dovuta sia alla deformazione plastica del materiale che alle microfratture che si verificano nella struttura del manufatto. In pratica la durezza aumenta all aumentare della densità relativa (durezza apparente). La resilienza dei materiali sinterizzati risulta modesta rispetto a quella dei materiali compatti. La resistenza agli urti è minore nel caso di porosità elevate ed aumenta all aumentare della densità relativa. La resistenza alla corrosione è minore rispetto ai corrispondenti materiali compatti, in quanto i pori possono trattenere gli agenti corrosivi. E bene effettuare un rivestimento protettivo superficiale (spessore superiore a 5 μm). La conducibilità elettrica e termica è minore. I sinterizzati hanno tolleranze pari a ± 0,03 [mm]. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 5
La produzione di pezzi sinterizzati è conveniente soprattutto quando le forme dei pezzi sono complicate e le dimensioni sono limitate. Molti componenti meccanici sono ottenuti in serie per sinterizzazione, tra questi ricordiamo: - gli inserti per utensili da taglio in metallo duro, contenenti WC e Co - i filamenti delle lampadine (polveri di tungsteno, molibdeno e cromo) ottenuti per trafilatura con filiera di diamante - i materiali antifrizione, soprattutto in bronzo e grafite o polveri di titanio mescolate a resine sintetiche (resistenti alla corrosione) - cuscinetti autolubrificanti con i pori riempiti di lubrificante, che fuoriesce con il calore dovuto all attrito - boccole autolubrificanti - contatti elettrici come le spazzole dei motori elettrici in rame e grafite grafitico Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 6