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La sinterizzazione rappresenta il processo che porta dalle polveri ad un
compatto in genere più denso, meno poroso e più resistente (è il passaggio da
una situazione incoerente ad una coerente). Si parla anche di consolidamento.
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Durante la sinterizzazione si ha un’evoluzione diella fase solida ma anche della
porosità. E le variabili fondamentali sono il tempo e la temperatura.
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A seconda delle polveri di partenza e delle condizioni si possono avere diverse
tipologie di sinterizzazione e quindi diversi prodotti finali.
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Il modello di riferimento è quello di due particelle sferiche affiancate. A causa
dei diversi raggi di curvatura gli atomi (o molecole) sono portati a trasferirsi
dalla superficie delle particelle (superficie convessa) sul colletto (r<0
superficie concava). Il fenomeno può essere quantificato termodinamicamente
attraverso la legge di Kelvin (valida sia per la tensione superficiale che per la
concentrazione in un liquido all’equilibrio).
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Lo stesso vale anche per la concentrazione di vacanze nei pressi di una
superficie curva rispetto a una superficie piana (Ω = volume atomico)
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Globalmente la sinterizzazione avviene a causa di una riduzione dell’energia
libera totale.
L’energia libera totale ΔGT è data dalla somma di tre termini:
ΔG di volume che è nulla durante la sinterizzazione poiché la massa del
sistema non varia;
ΔG di superficie che favorisce la sinterizzazione (la riduzione della porosità
porta infatti ad una diminuzione della superficie del sistema );
ΔG di bordograno che invece ostacola la sinterizzazione; facendo alcune
ipotesi semplificative (ovvero che la superficie delle particelle si trasformi per
metà in bordo grano) si ricava che : ΔGBG~1/4 ΔGS.
Quindi, la diminuzione dell’energia libera totale può essere quantificata in
termini della dimensione delle particelle, della tensione superficiale e della
densità del solido (reale) e del verde (di bulk). 6
Visto globalmente, questo processo porta ad una variazione di energia libera
molto limitata 8il calore latente di vaporizzazione delle sostanze è dell’ordine
dei 103 J/g): è difficile dunque spiegare l’efficacia del processo se non
ragionando in termini locali anziché globali; le distanze da percorrere da parte
degli atomi sono infatti limitate!
Il processo avviene efficacemente a livello locale a causa dello sviluppo di un
forte gradiente di pressione (legge di Laplace ovvero differenza di energia
libera) tra le superfici a curvatura diversa.
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La pressione che si genera tra due particelle viene chiamata potenziale di
sinterizzazione.
A dimostrazione di tutto ciò, l’applicazione di un carico meccanico esterno di
trazione superiore al potenziale di sinterizzazione inibisce la sinterizzazione.
Viceversa, una compressione facilita il processo.
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Molto studiata dal punto di vista dei meccanismi è la sinterizzazione in fase
solida (caratterizzata proprio dall’assenza di fase liquida).
Sono possibili sei diversi meccanismi, ognuno dei quali associato a un certo
tipo di migrazione degli atomi e regolato da una certa legge “crescita del
colletto-tempo/temperatura”.
Meccanismi e loro caratteristiche:
1) Dipende dal coefficiente di diffusione superficiale.
2) Dalla diffusione di reticolo a partire dalla superficie.
3) Avviene per evaporazione e condensazione.
4) Avviene per migrazione al bordograno a partire dal bordograno stesso.
5) Avviene per migrazione al bordograno a partire dal bulk.
6) Avviene per migrazione di bulk a partire dalle dislocazioni.
Tra i meccanismi elencati, quelli che portano ad un avvicinamento dei centri
delle particelle di polvere sono gli ultimi tre: diffusione a bordo grano,
diffusione di reticolo, flusso plastico e viscoso. Solo così si ha vera
densificazione.
I vari meccanismi si attivano in diversi momenti della sinterizzazione a
seconda della disponibilità di superficie e dei raggi di curvatura del sistema.
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Una suddivisione utile è quella tra I meccanismi di trasporto superficiali (che
non portano a densificazione) e e quelli di volume (che portano a
densificazione). I primi modificano la forma delle particelle di polveri, i
secondi le fanno condensare.
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Possono essere definite delle leggi generali per la crescita dei colletti e la
densificazione in funzione del meccanismo di riferimento.
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Solo la diffusione al bordo grano e di reticolo portano a densificazione o ritiro.
Eventualmente anche il flusso plastico e viscoso portano a densificazione
(ovviamente non nella sinterizzazione in fase solida ma in quella plastica e
viscosa).
Influenza sulla densificazione:
1)  Parto da particelle piccole (i vuoti saranno più piccoli e la densità iniziale
del verde maggiore).
2)  Riscaldo durante il processo (la temperatura influenza molto i meccanismi
di diffusione).
3)  Oltre a scaldare applico una certa pressione (aumentando il ΔP locale,
aumenta la “forza” di sinterizzazione).
4)  Aumento il tempo di sinterizzazione.
Il ritiro può essere definito analiticamente in funzione del tempo (ad una certa
temperatura) e della dimensione delle polveri di partenza.
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La sinterizzazione avviene in diverse fasi, corrispondenti a come il processo
avviene secondo l’aumento della densità.
Nello stadio iniziale si formano i colletti ma la porosità rimane elevata (>35%);
sono particolarmente attivi solo i meccanismi a limitato coefficiente di
diffusione (in superficie e in fase vapore che dipendono dai raggi di curvatura
secondo la legge di Laplace) ma che non portano a densificazione; questo
stadio viene a volte definito pre-sinterizzazione;
Nello stadio intermedio aumenta la densità e si sviluppano i bordi grano;
vengono attivati anche gli altri meccanismi (diffusione di bordo grano e
diffusione di reticolo,entrambe diffusivi e fortemente attivati con la T, portano
a densificazione).
Nello stadio finale la porosità è chiusa e la densità aumenta molto più
limitatamente; in questa fase avviene anche la crescita dei grani; i meccanismi
di superficie e in fase vapore non hanno più motivo di essere attivi.
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