materiali sinterizzati - itis galileo galilei conegliano

Classe 4^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - UdA n° 1: Materiali metallici, costituzione, trattamenti - Materiali sinterizzati
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).
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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).
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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
< 3mm
da 3 a 6mm
da 6 a 15mm
da 15 a 30mm
da 30 a 60mm
oltre 60 mm
Tolleranza radiale +/0,06 mm
0,07 mm
0,08 mm
0,15 mm
0,20 mm
0,5 % della misura nominale
Tolleranza assiale +/0,10 mm
0,10 mm
0,12 mm
0,18 mm
0,25 mm
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 non
inferiore a 1,5 [mm] e la distanza di tali fori dal bordo del
pezzo deve essere anch’essa non inferiore a 1,5 [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).
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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].
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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
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