Le proprietà meccaniche determinano se un componente in metallo in polvere funzionerà in modo affidabile in condizioni reali. Resistenza, resistenza all'usura, resistenza agli urti, duttilità e resistenza alla fatica non sono solo numeri su una scheda tecnica. Influenzano la durata di un componente, il carico che può sopportare e la sua capacità di resistere alle sollecitazioni dell'ambiente di lavoro.
Quando si progetta o si seleziona un componente realizzato con la metallurgia delle polveri, spesso ci si accorge che piccole differenze in queste proprietà possono fare la differenza tra successo e fallimento prematuro. Nelle sezioni seguenti, si vedrà come viene definita ciascuna proprietà, i valori tipicamente raggiunti e i metodi utilizzati per migliorarli per applicazioni complesse.
Cosa sono le parti in metallo in polvere?
Parti in polvere metallica Vengono prodotte compattando polveri metalliche fini in uno stampo e sinterizzandole ad alte temperature per legare insieme le particelle. I componenti metallici sinterizzati possono essere prodotti sia con metalli ferrosi (come ferro, acciaio, acciaio inossidabile) che non ferrosi (come rame, alluminio, bronzo, ottone, titanio). Regolando la composizione di queste polveri, è possibile adattarne le proprietà meccaniche alle specifiche applicazioni. Con un attento controllo dei metodi di compattazione delle polveri e dei parametri di sinterizzazione, è possibile produrre componenti con qualità costante, eccellente precisione dimensionale e prestazioni affidabili.
Proprietà meccaniche dei componenti in polvere metallica
Resistenza alla trazione
La resistenza alla trazione è lo stress o il carico che un materiale può sopportare prima di rompersi; rappresenta la capacità portante dei componenti realizzati in polvere metallica. La resistenza alla trazione dei componenti realizzati in polvere metallica dipende dal materiale e dalla lavorazione secondaria. Ad esempio, la resistenza alla trazione dei componenti realizzati in polvere metallica ferrosa può raggiungere i 900 N/mm², che possono essere aumentati a 1200 N/mm² tramite trattamento termico o tempra per sinterizzazione. L'elevata resistenza alla trazione dei componenti realizzati in polvere metallica consente loro di funzionare in modo affidabile anche sotto carichi elevati.
carico di snervamento
Il limite di snervamento di qualsiasi parte metallica in polvere rappresenta lo stress sotto il quale il componente mostrerà una deformazione permanente.
Per esempio, FC-0205-30 (polveri di metalli a base di ferro con ~2% di rame e ~0.5% di carbonio) hanno un limite di snervamento (0.2%) di circa 240 MPa dopo la sinterizzazione.
In confronto, FC-0208-50 (polvere metallica a base di ferro con ~2% di rame e ~0.8% di carbonio) raggiunge una resistenza allo snervamento alla trazione di circa 380 MPa dopo la sinterizzazione.
Questa elevata resistenza allo snervamento garantisce che i componenti possano mantenere la loro integrità strutturale sotto carichi di trazione e compressione.
Resistenza alla fatica
La fatica dei componenti in polvere metallica rappresenta la quantità di sollecitazioni cicliche che possono sopportare. I componenti in polvere metallica mostrano un'elevata resistenza alla fatica grazie alla loro natura porosa e ai metodi di produzione unici. FC-0208-50 (polvere metallica a base di ferro con ~2% Cu e ~0.8% C) mostra un Limite di affaticamento RBF (sopravvivenza al 90%) di circa 160 MPa dopo la sinterizzazione, mentre FL-4405-40 (~4% Ni, ~4% Cu, ~0.5% C) fornisce circa 190 MPa nello stato sinterizzato.
Resistenza agli urti
La resistenza agli urti è un'importante proprietà meccanica dei componenti in polvere metallica sottoposti a carichi d'urto o collisione. I componenti sinterizzati in metallurgia delle polveri mostrano una migliore resistenza agli urti grazie al controllo della composizione della lega e della densificazione. L'aggiunta di un elemento specifico alla polvere metallica, come l'1-4% di nichel, migliora la resistenza complessiva agli urti di questi componenti.
duttilità
La duttilità è la proprietà di un materiale di deformarsi sotto sforzo di trazione. La duttilità è importante per i componenti in polvere metallica che devono piegarsi durante il funzionamento. Questa caratteristica può essere controllata gestendo la dimensione dei pori dei componenti in polvere metallica. È rappresentata in termini di percentuale di allungamento. I componenti in polvere metallica realizzati in materiale ferroso mostrano solitamente una duttilità inferiore, pari a circa il 2%.
Resistenza all'usura
La resistenza all'usura è la capacità di un materiale di resistere al degrado dovuto a attrito, abrasione o contatto con agenti abrasivi. I componenti in metallo in polvere realizzati con la metallurgia delle polveri mostrano un'eccezionale resistenza all'usura, poiché è possibile incorporare materiali duri e resistenti all'usura. Ad esempio, i componenti sottoposti a cementazione con polveri metalliche presentano una maggiore resistenza all'usura se lavorati secondo parametri ottimizzati.
Fattori che influenzano le proprietà meccaniche delle parti in polvere metallica
Caratteristiche della polvere
La polvere metallica con particelle più fini presenta un impaccamento efficace, che si traduce in una maggiore densità a verde. Di conseguenza, la resistenza dei componenti della polvere metallica aumenta. Tuttavia, le particelle molto fini possono presentare una scarsa scorrevolezza, per questo motivo una distribuzione granulometrica ben controllata consente un impaccamento più efficiente.
Pressione di compattazione
Durante la produzione dei componenti in polvere metallica, lo stampo verde viene preparato applicando un'elevata pressione. Questa pressione di competizione ha un effetto diretto sulla densità dello stampo verde. L'aumento della pressione riduce i vuoti tra le particelle, creando un compatto verde denso. Di conseguenza, aumentano la resistenza alla compattazione, la durezza, la resistenza all'usura e il limite di snervamento dei componenti metallici.
Temperatura di sinterizzazione
La porosità e la densità del componente in polvere metallica sono direttamente influenzate dalla temperatura di sinterizzazione. All'aumentare della temperatura di sinterizzazione, aumenta anche la densità dei componenti, ottenendo un elemento con proprietà meccaniche migliorate, come elevata durezza e resistenza.
Miglioramento delle proprietà meccaniche dei componenti in polvere metallica
Repressione e Ri-interposizione
La repressatura e la resinatura sono efficaci operazioni secondarie nella metallurgia delle polveri. Nella repressatura, il componente metallico in polvere viene ulteriormente compattato ad alta pressione, migliorandone la precisione dimensionale, mentre nella resinatura, la densità delle particelle di polvere aumenta.
Per i componenti realizzati in Fe-2Ni-0.8Mo-0.5C, la repressione ha aumentato la densità da 6.79 g/cm³ a un valore compreso tra 7.08 e 7.45 g/cm³, a pressioni di repressione rispettivamente di 414 MPa e 827 MPa.
Compattazione a caldo
Compattazione calda riscalda sia la polvere che l'utensile prima di applicare la pressione di compattazione, in genere a 120-150 °C. Questo metodo conveniente aumenta la densità dei componenti realizzati con metallurgia delle polveri, raggiungendo 7.2-7.5 g/cm³ dopo la sinterizzazione.
Trattamento termico
Processi di trattamento termico come la sinterizzazione, la cementazione e il rinvenimento possono migliorare la durezza, la resistenza e la duttilità dei componenti realizzati tramite PM. La cementazione viene applicata a componenti realizzati tramite PM in acciaio o ferro per aumentarne la durezza superficiale e la resistenza all'usura.
In questo processo, il componente viene riscaldato in un ambiente ricco di carbonio; di conseguenza, gli atomi di carbonio si diffondono sulla superficie e formano carburi duri. Questo strato indurito migliora la capacità portante del componente, mantenendo un nucleo tenace e duttile, che lo rende ideale per ingranaggi, alberi e componenti soggetti a usura.
Infiltrazione di rame
Infiltrazione di rame Si tratta in realtà di un processo di densificazione nella microplastica in cui il rame fuso viene attirato nei pori dei componenti della microplastica per capillarità. Di conseguenza, il legame tra i bordi dei grani delle particelle aumenta, determinando non solo un aumento della densità, ma anche un miglioramento della resistenza alla trazione, della durezza e della resistenza agli urti.
Impregnazione con resina
Impregnazione di resina È anche un post-trattamento applicato ai componenti in polvere metallica in cui i pori dei componenti vengono riempiti di resina. Ciò si traduce in un miglioramento della resistenza all'usura, della protezione dalla corrosione e della durata meccanica complessiva. Questo avviene tramite impregnazione con resina poliestere sotto vuoto umido, sotto vuoto secco o anaerobica, seguita da polimerizzazione per creare una tenuta interna indurita. Questo trattamento viene applicato ai componenti sottoposti a carichi ciclici, come le scatole del cambio nell'industria automobilistica.
La metallurgia delle polveri ha un enorme potenziale, con applicazioni che spaziano dall'automobile agli utensili elettrici, dagli elettrodomestici ai motori industriali. Siamo convinti che possa favorire uno sviluppo sostenibile massimizzando l'uso dei materiali, riducendo gli sprechi e il consumo energetico.
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