La sinterizzazione metallica delle polveri costituisce una tecnologia chiave nel campo della metallurgia e della produzione di componenti ingegneristici. Si configura come un processo trasformativo capace di convertire aggregati di particelle metalliche in manufatti solidi e funzionali, così da poter creare pezzi con geometrie complesse e proprietà su misura.
Sinterizzazione: cos’è e quando viene impiegata?
La sinterizzazione è un processo termico attraverso il quale particelle di polvere metallica vengono consolidate in una massa solida. Tale risultato si ottiene attraverso il riscaldamento del materiale a una temperatura inferiore rispetto il suo punto di fusione. L'energia termica induce la diffusione atomica tra le particelle di polvere che successivamente crea dei legami che conferiscono resistenza e integrità strutturale al componente finale.
La sinterizzazione dei metalli trova applicazione in svariati settori industriali, grazie alla sua capacità di produrre componenti con geometrie complesse e proprietà meccaniche specifiche. Si utilizza ampiamente nell'industria automobilistica per la fabbricazione di ingranaggi, boccole e componenti strutturali. Nel campo aerospaziale, il processo è impiegato per la realizzazione di parti di motori e strutture leggere. Il settore medicale beneficia della sinterizzazione per la produzione di impianti e strumenti chirurgici con elevata biocompatibilità. Anche l'industria degli utensili trae vantaggio da tale tecnica per la creazione di inserti da taglio e punte resistenti all'usura. La produzione di filtri metallici porosi e magneti permanenti sono ulteriori esempi delle applicazioni della sinterizzazione.
La scienza dietro il processo
La sinterizzazione si basa sui principi di fisica della termodinamica, scienza dei materiali e cinetica. A livello atomico, il processo è guidato dalla riduzione dell'energia libera del sistema. Le particelle di polvere possiedono un'elevata energia superficiale. Durante il riscaldamento, gli atomi sulla superficie delle particelle acquisiscono mobilità termica che favorisce la formazione di "colli" tra le particelle adiacenti. La diffusione di atomi attraverso i colli porta alla crescita delle aree di contatto e alla diminuzione della porosità del materiale.
Diversi meccanismi di trasporto di massa contribuiscono al processo di sinterizzazione, tra cui la diffusione superficiale, la diffusione di volume, lo scorrimento viscoso e l'evaporazione-condensazione. La predominanza di ciascun meccanismo dipende da fattori quali la temperatura, il tempo, la dimensione delle particelle e l'atmosfera di sinterizzazione.
Il risultato finale è un materiale policristallino con grani metallici interconnessi. Le proprietà del materiale sinterizzato, come la densità, la resistenza meccanica, la durezza e la porosità, dipendono strettamente dalle condizioni del processo di sinterizzazione e dalle caratteristiche delle polveri di partenza. La comprensione della scienza dietro la sinterizzazione è quindi necessaria per ottimizzare il processo e ottenere componenti con le proprietà desiderate. La sinterizzazione dell’acciaio, ad esempio, ottiene componenti con elevata resistenza e durabilità, adatti a impieghi gravosi. Il significato di sinterizzato rimanda quindi a un materiale compatto ottenuto da polveri attraverso un trattamento termico.
Le fasi del processo di sinterizzazione delle polveri metalliche
Il processo di sinterizzazione delle polveri metalliche si articola tipicamente in 4 fasi distinte, ognuna con un ruolo specifico nel determinare le caratteristiche finali del componente.
Scelta della lega e preparazione delle polveri
La prima fase implica la selezione meticolosa della lega metallica in polvere più appropriata per l'applicazione desiderata. Le proprietà richieste per il componente finale, come la robustezza meccanica, la resistenza alla corrosione, la conduttività elettrica o termica, guidano la decisione sulla composizione chimica della polvere. Sono disponibili svariate leghe metalliche in polvere, tra cui acciai inossidabili, acciai legati, bronzi, ottoni, alluminio e titanio. Un aspetto di rilievo è la preparazione delle miscele, che può includere processi per controllare la dimensione, la forma e la distribuzione granulometrica delle particelle delle polveri.
Esistono due tipologie di miscele:
- Standard: vengono utilizzate per prodotti di trafilatura di barre e piastre, sono le più comuni
- Speciali: sono delle leghe personalizzate, create in base alle esigenze del prodotto che il cliente vuole realizzare.
Fase di pressatura
La fase di compattazione, o pressatura, segue la preparazione delle miscele; la polvere metallica viene introdotta all'interno di uno stampo con la geometria desiderata del componente finale e attraverso l'applicazione di una pressione controllata, le particelle di polvere vengono forzate ad avvicinarsi. Ciò riduce lo spazio vuoto tra loro e forma un corpo solido coeso, denominato "grezzo" o "verde" che sebbene abbia la forma del componente finito, il grezzo possiede una resistenza meccanica limitata e una porosità elevata.
Diverse tecniche di compattazione sono utilizzate in base alla complessità della forma del pezzo e alle esigenze di densità. La pressatura uniassiale, la più comune, prevede l'applicazione di pressione in una singola direzione. La pressatura isostatica, sia a freddo (CIP) che a caldo (HIP), applica una pressione uniforme da tutte le direzioni tramite un fluido, risulta particolarmente adatta per la produzione di componenti con geometrie complesse e densità omogenea. Lo stampaggio a iniezione di polveri (MIM) è un'altra tecnica che prevede la miscelazione della polvere metallica con un legante polimerico, seguita dall'iniezione della miscela nello stampo, simile allo stampaggio della plastica. La pressione applicata, la velocità di applicazione della pressione e le caratteristiche della polvere sono parametri critici che influenzano la densità e l'uniformità del grezzo, fattori che avranno un impatto significativo sulla successiva fase di sinterizzazione e sulle proprietà finali del componente.
Sinterizzazione
La sinterizzazione è la fase termica che trasforma il fragile grezzo in un componente metallico resistente e funzionale. Il grezzo compattato viene introdotto in un forno e sottoposto a un ciclo termico accuratamente controllato. La temperatura di sinterizzazione è mantenuta al di sotto del punto di fusione del metallo principale della lega. A tale temperatura, si attivano meccanismi di diffusione atomica che portano alla formazione di legami metallici tra le particelle di polvere. Le superfici delle particelle si saldano gradualmente, i colli tra le particelle crescono, la porosità diminuisce e il materiale si densifica.
La durata del ciclo di sinterizzazione, la velocità di riscaldamento e raffreddamento, e soprattutto l'atmosfera all'interno del forno sono parametri determinanti. L'atmosfera controllata (inerte, riducente o vuoto) previene l'ossidazione o altre reazioni chimiche indesiderate che potrebbero compromettere le proprietà del materiale. Durante la sinterizzazione, si verifica un ritiro dimensionale del componente, dovuto alla riduzione della porosità. La comprensione e il controllo del ritiro sono essenziali per ottenere componenti con le dimensioni finali desiderate. La microstruttura del materiale sinterizzato, caratterizzata dalla dimensione dei grani e dalla distribuzione della porosità residua, è direttamente influenzata dai parametri di sinterizzazione e determina le proprietà meccaniche finali del componente.
Finitura
Dopo la fase di sinterizzazione, i componenti possono essere sottoposti a una serie di operazioni di finitura per migliorare le caratteristiche in base alle specifiche esigenze applicative. La lavorazione meccanica, come la rettifica, la tornitura o la fresatura, può essere impiegata per ottenere tolleranze dimensionali più strette e una migliore finitura superficiale. I trattamenti termici, come la tempra, il rinvenimento o la ricottura, possono essere applicati per modificare le proprietà meccaniche del materiale, come la durezza, la resistenza o la duttilità.
Inoltre, possono essere eseguiti trattamenti superficiali per migliorare la resistenza alla corrosione, all'usura o l'aspetto estetico del componente. Tecniche come la pallinatura possono essere utilizzate per indurre sollecitazioni compressive superficiali che aumentano la resistenza a fatica. In alcuni casi, per applicazioni che richiedono una densità ancora maggiore e l'eliminazione della porosità residua, si ricorre a processi di post-sinterizzazione come la pressatura isostatica a caldo (HIP), che applica contemporaneamente alta pressione e temperatura. La scelta delle operazioni di finitura dipende dalle prestazioni richieste dal componente sinterizzato per la sua specifica applicazione.
Vantaggi e svantaggi della sinterizzazione
Analogamente ad altre metodologie metallurgiche, la sinterizzazione offre notevoli vantaggi ma comporta altresì specifiche limitazioni che vale la pena approfondire.
Vantaggi della sinterizzazione
La sinterizzazione consente di ottenere componenti con geometrie complesse e intricatissime, spesso inaccessibili o troppo costose da realizzare con metodi convenzionali. Il processo permette inoltre di controllare finemente la porosità del pezzo, funzionalità preziosa per filtri o cuscinetti autolubrificanti, e sfrutta il materiale in modo altamente efficiente, riducendo gli scarti rispetto alle lavorazioni sottrattive. Grazie all’approccio additivo, è possibile unire leghe che allo stato fuso non risultano compatibili, mentre, per produzioni ad alto volume, il costo unitario rimane competitivo. Infine, selezionando opportunamente polveri e parametri di processo, si ottengono componenti con caratteristiche meccaniche, elettriche o magnetiche su misura.
Svantaggi della sinterizzazione
Sul versante opposto, l’avvio del processo richiede un investimento consistente per la realizzazione degli stampi, aspetto che ne riduce l’efficacia in lotti di piccola scala. Durante la sinterizzazione è poi indispensabile gestire con precisione il ritiro dimensionale, operazione che richiede progettisti esperti e inevitabilmente influisce sui tempi di preparazione. A meno di ricorrere a tecniche avanzate come l’HIP, la densità e le proprietà meccaniche dei pezzi sinterizzati possono risultare inferiori a quelle di componenti forgiati o fusi, e raggiungere tolleranze molto strette spesso richiede fasi di finitura aggiuntive. Infine, il costo delle polveri metalliche di alta qualità impatta in modo significativo sul budget complessivo.