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Categoria di materiale                                                  Anno                                              ...
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Miscelazione polveri: anche nel caso di metalli semplici, cioè senza aggiunte di lega, lepolveri base vengono additivate c...
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Sinterizzazione: è il processo termico che trasforma una massa di polvereaddensata, di geometria definita, ma di proprietà...
Questa definizione non differisce da quella riportata dall’ASM (AmericanSociety for Metals, che specifica:Sintering is the...
Da un punto di vista termodinamico, la forza motrice che genera la trasformazione diuna massa di polveri addensate in un c...
Se nella miscela sono presenti metalli a punto di fusione inferiore alla temperatura disinterizzazione (come, ad esempio, ...
I meccanismi di trasporto di massa in sinterizzazione sono:    la diffusione di superficie,    la diffusione al bordo gran...
Per spiegare e valutare l’entità dellasinterizzazione si ricorre spesso al modellogeometrico sferico. La geometria sferica...
Calibratura: è un’operazione meccanica che permette di raggiungere un’elevataprecisione dimensionale, compensando ed atten...
Lo scorrimento plastico durante la coniatura è considerevole. La durezza e laresistenza a trazione aumentano corrispondent...
Impregnazione in olio: è l’operazionemediante la quale la porosità aperta edintercomunicante di un corpo poroso, nonnecess...
Trattamento termicoL’ applicazione dei trattamenti termici ai componenti strutturali realizzati in acciaisinterizzati è pr...
Sulla base dei campi di densità è possibile stabilire una classificazione dellidoneitàalla cementazione dei diversi acciai...
5Coefficiente di Harris relativo                                  4                                  3                    ...
Acciaio sinterizzato da polvere                   Acciaio sinterizzato da polvereDistaloy AE + 0,5% C;                    ...
Tempra a induzioneGli acciai sinterizzati a medio tenore di carbonio, moderatamente o discretamentealligati, sono idonei a...
3,0Profondità relativa   2,5                      2,0                      1,5                      1,0                   ...
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La metallurgia delle polveri-Vicenza 18 maggio 2011

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La metallurgia delle polveri-Vicenza 18 maggio 2011

  1. 1. La metallurgia delle polveri e i pezzi meccanici: aspetti innovativi e mercato Gian Filippo Bocchini,consulente in metallurgia delle polveri, Rapallo (GE) bocchini.mp@libero.it Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  2. 2. Elenco degli argomentiMotivazioni per l’impiego dellametallurgia delle polveri;Cenni sugli sviluppi della tecnologia;Panoramica delle applicazioninel settore automobilistico;Indicazioni di base sulla tecnologia. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  3. 3. Definizione e motivazioni per l’impiegoLa tabella UNI 4878 definisce la metallurgia delle polvericome: “Parte della metallurgia, comprendente l’insiemedelle tecniche e dei processi di produzione di polverimetalliche e di manufatti ottenuti utilizzando polverimetalliche come materia prima”.Per estensione, si includono nella fra quelli dellametallurgia delle polveri anche dei materiali che, a rigore,non sono metalli, quali i carburi e gli ossidi.Le caratteristiche essenziali dei diversi processi inquadrabilinella metallurgia delle polveri (brevemente, mdp) sono dinatura chimico-fisica o legate alla natura particellare dellamateria prima. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  4. 4. Tabella I - PERCHÉ LA METALLURGIA DELLE POLVERI?PECULIARITÀ ESEMPI APPLICAZIONIDEL PROCESSO TIPICI SIGNIFICATIVEALLO STATO SOLIDO (NON METALLI FILAMENTI PER LAMPADE“OCCORRE” FONDERE) REFRATTARI A INCANDESCENZAMESCOLANZE DI SOSTANZE STRUTTURE METALLI DURI, FERRITI,“IMMISCIBILI” E MATERIALI COMPOSITI CONTATTI ELETTRICIMINIATURIZZAZIONE MATRICI DI ACCIAIO ACCIAI SUPERRAPIDIDELLE SEGREGAZIONI CON FASE DISPERSA DURA (PER UTENSILI E STAMPI)POROSITÀ DISTRIBUZIONE UNIFORME FILTRI (DA POLVERICONTROLLATA DI PARTICELLE “SCIOLTE” O ADDENSATE DI “UGUALI” DIMENSIONI E SINTERIZZATE)POROSITÀ COMPONENTI POROSI CUSCINETTI E PARTICOLARICONTROLLATA DA IMPREGNAZIONE IN OLIO AUTOLUBRIFICANTIVERSATILITÀ COMPONENTI STRUTTURALI PARTICOLARI MECCANICIDI FORMATURA SENZA LAVORAZIONI PER DIVERSI(FORME COMPLICATE”) ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO PER INDUSTRIE DI SERIE Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  5. 5. Cenni sugli sviluppi della tecnologia Lampada a incandescenza di fabbricazione Cruto, ~1883 Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  6. 6. Pur volendo riconoscere i meriti indubbi dell’autodidatta diPiossasco, l’invenzione della lampada a incandescenza èlegata, però, al nome dell’ americano Thomas Alva Edison.Ovviamente, la notizia dell’invenzione di Edison si diffuse intutto il mondo.Iniziarono allora le ricerche dei materiali e dei metodi difabbricazione di nuovi tipi di filamenti, possibilmente menodelicati e più duraturi di quelli di carbone.Le esigenze funzionali del materiale, quali un alto punto difusione, unelevata resistenza alle alte temperature, unabassa fragilità sia a caldo che a freddo, e un’idonea resistivitàelettrica, indirizzarono gli studi verso metalli o leghe di tiporefrattario. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  7. 7. Fra tanti ricercatori illusi o delusi, quello che riuscì nellintento fu unamericano, il dr. WiIliam D. Coolidge, della GeneraI Electric Cornpany, ilquale seppe rendere applicabili diversi processi di fabbricazione dei filidi tungsteno per filamenti; almeno uno dei processi allora messi a puntotrova tuttora applicazione. Esso consiste nella pressatura a freddo dibarre, a partire da polvere di tungsteno di granulometria minutissima,senza aggiunta di sostanze organiche o di leganti di tipo metallico.Lassenza di sostanze diverse dal metallo base rende possibile lasinterizzazione a temperature molto elevate, che permette di ottenereuna resistenza meccanica delle barre molto alta, idonea alladeformazione a caldo senza rotture.Dopo martellatura a caldo, le barre sono nuovamente sinterizzate, pereffetto del passaggio di corrente elettrica. Ultima operazione del ciclo èuna martellatura rotante a caldo, fra 1600 e 1800 °C, che produce unastruttura fibrosa e migliora la duttilità in modo sostanziale, tanto darendere possibili delle severe deformazioni plastiche, fino allaproduzione di fili piccolissimi e di lamine sottili. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  8. 8. Il brevetto di Coolidge per gli USA risale al 1909;da allora la fabbricazione dei filamenti di tungsteno èstata certamente migliorata, ma il processo baseè rimasto praticamente invariato.(Può essere interessante segnalare che Coolidgenon riuscì a brevettare il suo procedimento in Inghilterrapoiché, secondo la Camera dei Lord, esso“non presentava elementi di novità”). Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  9. 9. Lesigenza di eliminare le costosissime matrici di diamante chevenivano impiegate per la trafilatura, ha portato allo sviluppodei metalli duri. La scoperta di questi materiali compositi, inGermania, fu il risultato, di tutta una serie di ricerche, fatte nelperiodo 1920-1925.Nel 1922 G. Schroter, ottenne un primo brevetto che includevauninnovazione sostanziale per l’epoca:il metallo con funzione di legante era aggiunto in forma dipolvere, prima delloperazione di pressatura.I risultati di quella prima ricerca non ebbero un immediatoseguito industriale, ma ciò non scoraggiò linventore,il quale, nel 1925, ottenne un altro brevetto, che era simileal primo per quanto riguarda la sequenza operativa,ma comprendeva laumento del tenore di legante fino al 20 %. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  10. 10. Tabella 1 – Ricostruzione cronologica delle tappe che portarono ai metalli duri in Europa Anno Attività 1900 Moissan studia i carburi e ne caratterizza le proprietà 1910 Tentativi diversi di sostituire il diamante per le matrici di trafilatura dei filamenti per lampade a incandescenza 1914 Sinterizzazione, a 2500 °C, di polvere di carburo di tungsteno (3,1 ÷ 5% C); punto di fusione del carburo 2750 °C. Brevetto di Voigtlander & Lohmann (Essen) 1917 Alligazione dei metalli ferro, cromo e titanio al carburo di tungsteno. G. Fuchs e A. Kopietz produssero delle leghe di elevata durezza; i metodi utilizzati erano sia la fusione sia la sinterizzazione sotto pressione. 1919 Costituzione del centro di ricerca Osram, diretto da F. Skaupy 1920 Sperimentazione di Schroter: miscelazione di polvere di WC con circa 10% di metalli del gruppo del ferro, e sinterizzazione dei miscugli a temperature prossime a quella di fusione del metallo. L’effetto legante migliore si ottenne con il cobalto.18/03/1922 Domanda di brevetto; polvere di carburo di tungsteno ottenuta per carburazione con metano. Sinterizzazione con infiltrazione di ferro; Baumhauer, Fabbrica Osram, Berlino Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  11. 11. 27/07/1922 K. Schröter, in un rapporto interno del gruppo di studio Osram, descrive la sperimentazione fatta sulla sinterizzazione di WC con Fe, Co, Ni.26/03/1923 Domanda di brevetto di K. Schröter presentata al dipartimento brevetti della Osram; metallo del gruppo del ferro, con funzione di legante, aggiunto sotto forma di polvere, prima delloperazione di pressatura. XII 1925 La società Krupp acquista il brevetto rilasciato due anni prima alla Osram17/12/1925 Friedr. Krupp presenta domanda di tutela del nome Widia (Wie Diamant)10/06/1926 Registrazione ufficiale del nome Widia IV 1927 Presentazione del Widia alla fiera di Lipsia 1928 La General Electric Corp. acquista il brevetto Krupp per gli Stati Uniti, fonda la Carboloy, e inizia la produzione dei carburi cementati oltreoceano. La Krupp si riserva il diritto di esportazione dei metalli duri negli USA. 1930 Paul Schwarzkopf assume Richard Kieffer alla Metallwerk Plansee per lo sviluppo di metalli duri speciali Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  12. 12. Verso la fine dello stesso decennio, cioè prima del 1930,furono introdotti i primi cuscinetti autolubrificanti,anch’essi prodotti peculiari della metallurgia delle polveri,nei quali il vantaggio funzionale determinante era – ed è –costituito dalla porosità di realizzazione dei corpi porosi,di geometria precisa, atti ad essere impregnati con olilubrificanti e in grado di lavorare per tempi lunghi senzanecessità di rabbocchi.Il primo materiale, sviluppato in analogia con le soluzionimetallurgiche note all’epoca, fu il bronzo: novitàessenziale, però, era la presenza di grafite dispersauniformemente nella matrice metallica. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  13. 13. Gli anni ’30 del secolo scorso videro l’affermazione dei metalli duri, un certoimpiego delle boccole autolubrificanti, ma fecero registrare una novitàdensa di sviluppi successivi: la possibilità di ottenere, mediante metallurgiadelle polveri, dei particolari meccanici idonei ad impieghi disparati.Lo sviluppo della tecnologia fu però sostanzialmente diverso fra l’Europae gli Stati Uniti. In Germania, infatti, la tecnologia si sviluppò per impieghimilitari. Quella nazione, infatti, non disponeva di risorse interne di rame,metallo impiegato comunemente per la realizzazione di cinture diforzamento di proiettili d’artiglieria.La strategia in atto, e le prospettive di una guerra d’aggressione, spinseroil regime nazista a selezionare un gruppo di giovani e brillanti metallurgisti,cui fu affidato il compito di trovare un materiale adatto a rimpiazzare il ramenelle cinture di forzamento.I prescelti per l’impresa furono 5, individuabili nella riproduzione di unavecchia foto. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  14. 14. Zapf Silbereisen KiefferArea Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  15. 15. In un’altra nazione europea, la Svezia, durante la guerra, laHVA, Husqvarna Vapenfabriks Aktiebolaget, sviluppò e misea punto industrialmente delle tecniche di metallurgia dellepolveri per la produzione di particolari meccanici permacchine da cucire domestiche.La stessa HVA industrializzò il processo di produzione dipolvere di ferro elettrolitica, utilizzato anche in Italia, dallalicenziataria Merisinter di Napoli, dall’inizio degli anni ’50alla fine degli anni ’60. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  16. 16. Negli Stati Uniti, invece, lo sviluppo della metallurgia dellepolveri nella componentistica meccanica iniziò poco dopo lametà degli anni ’30 del secolo scorso.I primi particolari meccanici sinterizzati prodotti negli USA, ametà degli anni ’30 del secolo scorso, furono degli ingranaggi,delle camme e dei distanziali, tutti in acciaio semplice alcarbonio.Quelle applicazioni pionieristiche, accomunate da una buonaresistenza all’usura da strisciamento, una discreta resistenzameccanica, una buona precisione, stimolarono l’interessedell’industria automobilistica. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  17. 17. Il risultato di quell’interesse fu la realizzazione del primo componentedestinato all’automobile: un ingranaggio per la pompa dell’olio di unmotore Oldsmobile, entrato in produzione nel 1937.Il materiale di partenza era una miscela di polveri di ferro e di grafite(2%) e la struttura che si formava in sinterizzazione era di tipoipoeutettoide, con frequenti inclusioni di grafite.L’elevata precisione dimensionale necessaria per il buonfunzionamento della pompa richiedeva la calibratura.Nel complesso, con i parametri di giudizio odierni, la caratteristicheall’impiego erano modeste, paragonabili a quelle di una ghisa grigiacomune, ma gli ingranaggi sinterizzati presentavano diversi esignificativi vantaggi rispetto ad analoghi componenti ottenutimediante lavorazione meccanica di getti di ghisa. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  18. 18. Nel nostro paese, la produzione dei primi componenti meccanici ebbe inizio dopo la fine della seconda guerra mondiale, e gli inizi, come spesso accade, non furono facili. Al riguardo, può essere utile, a magari suscitare tenerezza per una fase che potremmo definire infantile per la tecnologia, la tabella II, nella quale si mettono a confronto i dati di produzione degli anni 1947 e 1956. Metalli Spazzole Particolari Particolari Metalli Spazzole Polveri duri rame-grafite meccanici meccanici duri rame-grafite ed utensili e contatti ed utensili e contattiAnno diamantati elettrici diamantati elettrici Impianti Produzione, Impianti Produzione, Impianti Produzione, Impianti tonn. tonn. tonn.1947 >3 7÷8 ? 25 ÷ 30 2? 100 ÷ 150 2?1956 8 20 8 70 7 700 6 Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  19. 19. Panoramica delle applicazioninel settore automobilisticoArea Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  20. 20. In tutti i paesi industrializzati, le industrie automobilistiche,ormai da alcuni decenni, sono i maggiori consumatori diparticolari sinterizzati.Esistono però delle forti differenze fra i livelli d’impiego deisinterizzati in aree geografiche diverse.Presumibilmente, queste differenze derivano da diversi fattori.Il peso per vettura di componenti prodotti mediante metallurgiadelle polveri, infatti, dipende da molti fattori.In linea di massima, i fattori principali sono: Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  21. 21. •la tipologia delle automobili,•il segmento caratteristico,•i mercati di maggior interesse per i produttori,•il peso e l’ingombro medi delle auto,•la diversa diffusione del cambio automatico,•l’incidenza dei servomeccanismi e dispositivi addizionali (“optionals”),•l’atteggiamento dei produttori di auto verso tecnologie innovative,•le tendenze verso l’impiego di determinati materiali,•le situazioni locali delle aziende di metallurgia delle polveri. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  22. 22. La possibilità di combinare forme complicate con precisioneelevata e buona resistenza meccanica costituisce l’attrattiva di piùforte interesse per i produttori automobilistici, e, ovviamente,anche per tutti gli altri settori d’impiego, dagli elettrodomestici allameccanica varia, dal ciclo e motociclo alle apparecchiatureidrauliche.Per inquadrare correttamente il peso relativo della metallurgiadelle polveri rispetto all’acciaio, si riportano, in una sola figura, lesfere che individuano, in una stessa scala, rispettivamente,i volumi produttivi mondiali di acciai tradizionalie di acciai sinterizzati, Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  23. 23. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  24. 24. Se però si considera che i maggiori quantitativi di acciaio sonodestinati alla produzione di manufatti incompatibili con la metallurgiadelle polveri (dalle lamiere ai tubi, dai profilati per l’edilizia al tondinoper cemento armato, dal materiale ferroviario ai pezzi, fucinati o fusi,di dimensioni grandi o molto grandi), si può orientativamente stimareche l’aliquota di acciaio tradizionale destinata ad impieghi dicaratteristiche comparabili con quelle tipiche dei sinterizzati siadell’ordine del 10% rispetto agli acciai compatti.Il rapporto più adeguato per un confronto corretto è quello delle areedella figura seguente. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  25. 25. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  26. 26. Categoria di materiale Anno 2000 1999 1998 1991 1985 1977Acciaio comune, lamiere e barre 622,8 634,6 638,9 608,3 672,0 904,9Acciai a media ed alta resistenza 153,8 148,8 144,7 109,1 98,7 56,7Acciai inossidabili 24,0 22,9 22,2 16,8 13,2 11,8Altri tipi di acciai 10,2 11,3 15,2 18,8 24,7 25,4Ghise 159,9 161,0 165,1 195,5 212,3 244,9Materie plastiche, compositi a base plastica 112,7 111,1 110,5 108,0 95,9 74,9Alluminio 111,4 107,0 101,6 75,3 62,6 44,0Rame, ottone e bronzo 20,9 20,6 20,9 20,9 20,0 17,5Particolari meccanici sinterizzati 16,3 15,9 15,0 10,7 8,6 7,0Zinco pressofuso 5,2 5,4 6,1 7,9 8,2 17,2Fusioni di magnesio 3,6 3,2 3,0 1,4 1,1 0,5Lubrificanti e fluidi diversi 89,8 88,0 89,6 78,9 83,5 90,7Gomme ed elastomeri 65,3 64,4 63,3 61,5 61,7 68,0Vetro 44,7 44,0 43,1 39,0 38,6 39,7Altri materiali 49,9 46,7 40,6 35,6 44,9 58,1Pesi totali delle autovetture, kg 1490,5 1484,9 1479,8 1387,7 1446,0 1661,3 Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  27. 27. Categoria di materiale Variazioni, % 00/99 00/98 00/91 00/85 00/77 85/77Acciaio comune, lamiere e barre -1,9 -2,5 2,4 -7,3 -31,2 -25,7Acciai a media ed alta resistenza 3,4 6,3 41,0 55,8 171,3 74,1Acciai inossidabili 4,8 8,1 42,9 81,8 103,4 11,9Altri tipi di acciai -9,7 -32,9 -45,7 -58,7 -59,8 -2,8Ghise -0,7 -3,1 -18,2 -24,7 -34,7 -13,3Materie plastiche, compositi a base plastica 1,4 2,0 4,4 17,5 50,5 28,0Alluminio 4,1 9,6 47,9 78,0 153,2 42,3Rame, ottone e bronzo 1,5 0,0 0,0 4,5 19,4 14,3Particolari meccanici sinterizzati 2,5 8,7 52,3 89,5 132,9 22,9Zinco pressofuso -3,7 -14,8 -34,2 -36,6 -69,8 -52,3Fusioni di magnesio 12,5 20,0 157,1 227,3 620,0 120,0Lubrificanti e fluidi diversi 2,0 0,2 13,8 7,5 -1,0 -7,9Gomme ed elastomeri 1,4 3,2 6,2 5,8 -4,0 -9,3Vetro 1,6 3,7 14,6 15,8 12,6 -2,8Altri materiali 6,9 22,9 40,2 11,1 -14,1 -22,7Pesi totali delle autovetture 0,4 0,7 7,4 3,1 -10,3 -13,0 Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  28. 28. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  29. 29. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  30. 30. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  31. 31. ITALIA Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  32. 32. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  33. 33. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  34. 34. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  35. 35. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  36. 36. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  37. 37. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  38. 38. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  39. 39. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  40. 40. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  41. 41. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  42. 42. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  43. 43. PM World Conference, EPMA, Firenze, ottobre 2010Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  44. 44. Da: G. Rau, M. Krehl, (PMG F ssen GMBH, F ssen, Germania,Sintered steel parts for automobile weight reduction Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  45. 45. Da: G. Rau, M. Krehl, (PMG F ssen GMBH, F ssen, Germania,Sintered steel parts for automobile weight reduction Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  46. 46. Da: G. Rau, M. Krehl, (PMG F ssen GMBH, F ssen, Germania,Sintered steel parts for automobile weight reduction Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  47. 47. Da: G. Rau, M. Krehl, (PMG F ssen GMBH, F ssen, Germania,Sintered steel parts for automobile weight reduction Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  48. 48. Da: G. Rau, M. Krehl, (PMG F ssen GMBH, F ssen, Germania,Sintered steel parts for automobile weight reduction Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  49. 49. Da: G. Rau, M. Krehl, (PMG F ssen GMBH, F ssen, Germania,Sintered steel parts for automobile weight reduction Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  50. 50. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  51. 51. Una soluzione consolidata da tempo: piattello per ammortizzatore, Giappone,da Whittaker, Advances in Structural PM Components, Int. PM Directory, 2006 - 2007 Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  52. 52. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  53. 53. Indicazioni di base sulla tecnologia Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  54. 54. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  55. 55. Miscelazione polveri: anche nel caso di metalli semplici, cioè senza aggiunte di lega, lepolveri base vengono additivate con aggiunte di lubrificanti solidi, con percentuali inpeso comprese generalmente fra 0,5 e 1,5. L’intervallo più frequente va da 0,6 a 0,8%. Le sostanze lubrificanti sono solide, in forma finemente suddivisa, derivate spessodall’acido stearico. La densità delle sostanze lubrificanti è di circa 1 g/cm3 e, diconseguenza, la frazione in volume, nel caso di polvere a base ferro, è di quasi 8 voltesuperiore a quella in peso. La funzione dei lubrificanti è quella di ridurre gli effetti degliattriti durante la fase successiva. I lubrificanti vengono eliminati durante la fase di salita a temperatura che precede lasinterizzazione. In alcuni casi molto particolari, l’eliminazione del lubrificante avviene inuna fase specifica vera e propria. Oltre al lubrificante, sono frequenti le aggiunte di polveri di metalli diversi da quellobase o di sostanze ad altissimo tenore di carbonio, come la grafite, quando si voglionoottenere degli acciai. Anche queste aggiunte sono in forma di polveri molto minute. Fino a circa venti anni fa, quasi tutte le aziende di produzione di boccoleautolubrificanti o componenti meccanici disponevano di un proprio reparto dimiscelazione. Oggi, salvo poche eccezioni, i sinterizzatori trovano conveniente acquistare lemiscele di polveri, su loro formulazione, direttamente dai fornitori di materie prime. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  56. 56. Formatura: è l’operazione che trasforma una determinata massa di polvere,sciolta o incoerente, in un pezzo di geometria definita. Essa avviene mediantepressatura entro stampi “rigidi”. L’applicazione di pressione fa aumentare ladensità del materiale da quella tipica dello stato sciolto (orientativamente, per lepolveri di ferro, 2,9 ÷ 3,1 g/cm3) a quella minima compatibile con le esigenzefunzionali dell’applicazione (per i materiali a base ferro, almeno 5,8 g/cm3). Per evitare problemi di integrità dei pezzi formati (o “verdi” o “al verde”),l’addensamento della polvere dovrebbe essere bilaterale, simmetrico e simultaneo. Il comportamento delle polveri metalliche sotto pressione differiscesostanzialmente da quello dei liquidi: il valore locale della pressione, infatti, nonsegue la legge di Pascal, ed i flussi e gli scorrimenti di polvere non avvengono inmodo uniforme secondo direzioni diverse. È per questo motivo che gli stampi di formatura debbono essere progettati inbase al numero degli spessori del pezzo, contati secondo l’asse di pressatura.Nel caso di un solo spessore, per esempio, due punzoni sono necessari esufficienti. Uno schema semplificato di stampo di formatura di polveri è illustratonella figura che segue. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  57. 57. Riempitura Fine pressatura Estrazione del pressato Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  58. 58. Questa soluzione, con addensamento unilaterale, non simmetrico, èammissibile solo per particolari di piccolo spessore in senso assiale. Se questa dimensione non è piccola (dell’ordine di pochissimi millimetri), pereffetto degli attriti fra polvere e pareti dello stampo si creano dei gradienti didensità incompatibili con la maggior parte delle possibili applicazioni. I gradienti di densità generano gradienti di proprietà meccaniche doposinterizzazione. In generale, anche per pressati ad un solo spessore assiale siimpiegano presse che consentono movimenti della matrice o del punzoneinferiore, oltre al moto di discesa del punzone superiore, in modo da ottenere unaddensamento simmetrico della polvere rispetto al suo piano mediano iniziale,come indicato nella figura seguente. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  59. 59. Riempitura Fine pressatura Estrazione del pressatoArea Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  60. 60. Riempitura Fine pressatura Estrazione completa del pressato Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  61. 61. Riempitura Fine pressatura Estrazione completa del pressatoArea Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  62. 62. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  63. 63. Sinterizzazione: è il processo termico che trasforma una massa di polvereaddensata, di geometria definita, ma di proprietà meccaniche trascurabili,inadeguate per qualsiasi applicazione, in un particolare della stessa geometria,ma idoneo a resistere senza cedimenti irreversibili ad azioni esterne anche forti. Secondo la Tabella UNI 4878, “Metallurgia delle polveri, Termini e definizioni”(Febbraio 1988), la Sinterizzazione è il processo termico che provoca laformazione di saldature localizzate tra le superfici di contatto di particelle nonnecessariamente metalliche; per effetto della crescita delle saldature nelle zonepuntiformi iniziali di contatto, le particelle sinterizzate acquistano caratteristiche dicoesione notevole. La stessa tabella UNI precisa che la sinterizzazione avviene attraverso imeccanismi di diffusione e di evaporazione-condensazione allo stato solido,anche se può verificarsi presenza temporanea di fasi liquide in quantitàrelativamente modeste. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  64. 64. Questa definizione non differisce da quella riportata dall’ASM (AmericanSociety for Metals, che specifica:Sintering is the bonding of adjacent surfaces in a mass of particles bymolecular or atomic attraction on heating at high temperatures below themelting temperature of any constituent in the material.Sintering strengthens a powder mass and normally produces densificationand, in powdered metals, recrystallization.See also liquid phase sintering.Anche la definizione secondo la ISO è analoga alle precedenti: “Sintering isthe thermal treatment of a powder or compact at a temperature below themelting point of the main constituent, for the purpose of increasing itsstrength by bonding together of the particles.” Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  65. 65. Da un punto di vista termodinamico, la forza motrice che genera la trasformazione diuna massa di polveri addensate in un corpo coerente e resistente è la riduzione dienergia libera totale Gtot, che include Gvol, variazione di energia libera di volume, Gbg, variazione di energia libera per la riduzione dei bordi di grano, e Gsup,variazione di energia libera per la riduzione di superficie.Nei materiali metallici il termine preponderante è la diminuzione di energiasuperficiale, che avviene attraverso la crescita delle aree di contatto fra granulicreate dalla pressatura, la saldatura fra granuli a contatto, la sostituzione diinterfacce gas-solido con altre solido-solido.Per attivare i processi di scambio energetico è generalmente necessario ilriscaldamento, che però non deve essere tale da causare variazioni di formaapprezzabili: la temperatura di processo deve essere sensibilmente inferiore a quelladi fusione del costituente principale del materiale in elaborazione.All’estremo opposto, la temperatura deve essere sufficientemente elevata daconsentire una discreta mobilità atomica,In pratica, per tutti i materiali a base ferro, il campo industriale delle temperature disinterizzazione è compreso fra 1120 °C e 1300 °C. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  66. 66. Se nella miscela sono presenti metalli a punto di fusione inferiore alla temperatura disinterizzazione (come, ad esempio, il rame), questa avviene con presenzatemporanea di fase liquida.Nella metallurgia delle polveri applicata alla produzione di componenti meccanici ocuscinetti autolubrificanti l’aumento della densità è molto modesto, o addiritturatrascurabile, a differenza di quanto accade con i materiali ceramici.Data la tendenza di molti metalli all’ossidazione, e data la notevole estensione dellasuperficie di una certa massa di polvere, la sinterizzazione deve avvenire sottoatmosfera neutra o, meglio, riducente, per favorire invece la riduzione di ossidisuperficiali. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  67. 67. I meccanismi di trasporto di massa in sinterizzazione sono: la diffusione di superficie, la diffusione al bordo grano, la diffusione di volume, il flusso viscoso, l’evaporazione – condensazione ricristallizzazione e crescita dei grani cristallini.Ogni singolo meccanismo prevale entro determinati campi di temperatura.La sinterizzazione provoca nel materiale sensibili variazioni delle proprietà diconducibilità termica, elettrica, di resistenza meccanica, di duttilità.Queste variazioni sono dovute al cambiamento della microstruttura del pezzo, chepresenta porosità meno spigolosa e acquista compattezza per meccanismi didiffusione atomici e ricristallizzazione. La densità può aumentare o diminuire a seconda del tipo di tecnica utilizzata per lapreparazione del metallo o la formazione di lega.Nel caso in cui la superficie della polvere liberi gas adsorbiti o se i lubrificanti sidecompongono e vengono eliminati si può avere diminuzione della densità. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  68. 68. Per spiegare e valutare l’entità dellasinterizzazione si ricorre spesso al modellogeometrico sferico. La geometria sferica delleparticelle permette di mettere in relazione il raggiodel collo di saldatura fra granuli al raggio r delleparticelle e alla diminuzione della distanza fra iloro centri. Da questi dati si ottengono i valori delvolume di materiale che si è trasferito per formareil collo, e l’area di contatto fra le sfere e quindi ilgrado di sinterizzazione raggiunto.La velocità con cui ha luogo il processo è funzionedella temperatura, delle dimensioni delle particelle,della mobilità della specie diffondente, ed èricavabile in valore numerico attraverso numeroseequazioni di flusso.Temperature elevate e granulometria fine tendonoa rendere più reattive le polveri, favorendo ilmeccanismo di interconnessione fra le particelle.Un esempio di saldatura fra particelle sferiche,avvenuta in sinterizzazione, è illustrato a fianco. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  69. 69. Calibratura: è un’operazione meccanica che permette di raggiungere un’elevataprecisione dimensionale, compensando ed attenuando le deformazioni e leescursioni delle variazioni dimensionali che si generano in sinterizzazione.Dal processo di sinterizzazione si ottiene un pezzo più o meno duro, a seconda delmateriale, ma allo stato ricotto (o molto blandamente tensionato), il quale è idoneoa forti deformazioni sotto carico se sollecitato oltre il suo limite di snervamento.La calibratura consiste in uno stampaggio del pezzo sinterizzato entro uno stampoapposito, simile ad uno stampo di pressatura, ma generalmente più semplice,contenete però delle profilature opportune dei vari elementi per evitare trafilatureindesiderate di materiale.È necessaria soltanto una modesta deformazione plastica e le forze unitarierichieste per effettuare l’operazione di calibratura devono essere pari ad almeno2,5 ÷ 3 volte il limite di snervamento del materiale.La calibratura differisce dalla coniatura: questa, infatti, ha un duplice scopo: nonsolo migliora la precisione dimensionale, come nella calibratura, ma modifica leconfigurazioni delle facce estreme (come in una medaglia ricavata da un semplicedischetto) ed aumenta anche la densità dei pezzi, come conseguenzadell’applicazione di forze unitarie più elevate. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  70. 70. Lo scorrimento plastico durante la coniatura è considerevole. La durezza e laresistenza a trazione aumentano corrispondentemente, mentre l’allungamentodiminuisce. Questo incremento delle proprietà meccaniche, che non è trascurabile incalibratura, in molto casi, in coniatura, può risultare anche elevato.Di conseguenza, sia in calibratura che in coniatura, un componente sinterizzato inmateriale non legato, tipicamente poco duro dopo sinterizzazione, subisce unincrudimento che può essere anche rilevante, tale da far raggiungere una resistenzasufficiente all’impiego anche in condizioni piuttosto severe e ridurre la tendenza asubire ammaccature per effetto delle manipolazioni.In linea di massima, la durezza del materiale sinterizzato da calibrare non deveessere superiore a 180 HB. Durante l’operazione bisogna evitare divari disollecitazione fra zone interne ed esterne che possano creare lesioni nel pezzo.Date le sollecitazioni agenti, per garantire la precisione voluta occorre considerare,in molti casi, anche la cedevolezza elastica degli elementi di stampi.Non si dispone di indicazioni specifiche sulla durezza massima ammissibile primadella coniatura, ma si può stimare che, per evitare rapide usure degli elementi distampo, questa caratteristica non debba essere superiore a 250 HB. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  71. 71. Impregnazione in olio: è l’operazionemediante la quale la porosità aperta edintercomunicante di un corpo poroso, nonnecessariamente o non solo sinterizzato,viene riempita (o “saturata”) con olio. I componenti pressati e sinterizzatiin condizioni industriali – salvo processiparticolari – presentano sempre unaporosità non trascurabile; un esempio(ferro, pressato a 400 MPa e sinterizzatoa 1120 °C, per 20 minuti, è riportato infigura. La rete spaziale della porositàinterconnessa è evidenziata nella figurasuccessiva . La frazione areale o in volume dellaporosità è il complemento a 1 delladensità relativa. Ad esempio, nel caso di un materialesinterizzato a base ferro, avente densitàdi 6,5 g/cm3, la densità relativa è ugualea 6,5/7,85, cioè 0,828 e la frazione diporosità è uguale a 1 – 0,828, cioè 0,162. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  72. 72. Trattamento termicoL’ applicazione dei trattamenti termici ai componenti strutturali realizzati in acciaisinterizzati è pratica corrente ormai da alcuni decenni.I trattamenti vanno da quelli ormai correnti (carbocementazione e tempra;austenitizzazione e tempra; tempra a induzione) a quelli che, quando applicati agliacciai sinterizzati, richiedono cautela e cura particolari (nitrurazione in bagno di sali,nitrurazione morbida, nitrurazione ionica.Per i trattamenti non "tradizionali” ha notevole importanza pratica lentità dellevariazioni dimensionali, che sono indice della penetrazione in profondità deglielementi di diffusione e del conseguente probabile effetto infragilente.Se il ruolo dei trattamenti termici è stato già importante, in passato, per la crescitadei prodotti della metallurgia delle polveri, le esigenze sempre più sentite diriduzione degli ingombri e dei pesi - a parità di condizioni di lavoro - hanno fattoprogressivamente aumentare limportanza dei trattamenti correttamente effettuati edelle giuste scelte metallurgiche. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  73. 73. Sulla base dei campi di densità è possibile stabilire una classificazione dellidoneitàalla cementazione dei diversi acciai sinterizzati:1. è possibile ottenere strati cementati di spessore definito e ripetibile con precisione, analogamente a quanto accade per gli acciai da cementazione compatti, solo se la densità è superiore a 7.10 gjcm3;2. gli spessori di cementazione possono presentare una certa variabilità (controllabile discretamente mediante una condotta accurata del processo di carbocementazione), nel campo di masse volumiche comprese fra 6,9 e 7,1 g/cm3;3. le escursioni della profondità di cementazione possono diventare non trascurabili, per quanto accurata possa essere la condotta del processo di carbocementazione, nel campo di masse volumiche comprese fra 6,5 e 6,9 g/cm3;4. per masse volumiche inferiori a 6,5 g/cm3 la profondità sperimentale di cementazione può presentare delle dispersioni elevate. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  74. 74. 5Coefficiente di Harris relativo 4 3 2 1 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 Densità [g/cm3] Profondità relativa di cementazione di acciai sinterizzati Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  75. 75. Acciaio sinterizzato da polvere Acciaio sinterizzato da polvereDistaloy AE + 0,5% C; Distaloy AE + 0,5% C;sinterizzazione a 1120 °C, sinterizzazione a 1250 °C,per mezz’ora per un’ora Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  76. 76. Tempra a induzioneGli acciai sinterizzati a medio tenore di carbonio, moderatamente o discretamentealligati, sono idonei anche al trattamento di tempra a induzione.Non pochi sinterizzatori, tuttavia, tendono a sconsigliare questo trattamento,adducendo scuse diverse per non dover ammettere la loro incapacità nel controllodi campi ristretti del tenore di carbonio in sinterizzazione.La risposta degli acciai sinterizzati al trattamento, in termini di profondità efficace,tende a coincidere con quella degli acciai più tradizionali al crescere della densità,come indicato schematicamente nella figura che segue.Se non è possibile agire sulla frequenza di induzione, si opera comunementeriducendo la potenza impiegata.I pezzi sinterizzati e temprati a induzione, tipicamente porosi, tendono a riteneredell’acqua, che è invece opportuno rimuovere il prima possibile. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  77. 77. 3,0Profondità relativa 2,5 2,0 1,5 1,0 0,00 0,05 0,10 0,15 Porosità Influenza della frazione di porosità degli acciai sinterizzati sulla profondità relativa di indurimento nella tempra a induzione Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  78. 78. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  79. 79. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011
  80. 80. Area Gruppi di Studio, Centro Produttività Veneto, Vicenza, 18 maggio 2011

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