Il processo di metallurgia delle polveri è riconosciuto come un metodo di produzione ecologico che utilizza polvere metallica come materia prima per produrre componenti "green" attraverso la compattazione ad alta pressione in uno stampo, seguita dalla sinterizzazione per fondere insieme le particelle di polvere. È un metodo eccellente per produrre componenti strutturali ad alta velocità e con tolleranze ristrette.
Contenuti
Fasi del processo di metallurgia delle polveri
Il processo di metallurgia delle polveri comprende principalmente la produzione, la miscelazione, la compattazione e la sinterizzazione delle polveri.
Produzione di polvere
La produzione di polvere è il primo passo nella produzione di massa. Non è esagerato affermare che le caratteristiche delle polveri determinano la qualità dei componenti finali. Tra i vari metodi di produzione di polvere, i più comunemente utilizzati sono: processo di atomizzazione, riduzione e decomposizione chimica.
Miscelazione e miscelazione
Miscelazione e miscelazione si riferisce alla miscelazione di polvere metallica con lubrificanti o altri elementi di lega per produrre una miscela uniforme.
Le polveri includono polveri miste e polveri pre-legate.
Le polveri pre-legate vengono prodotte aggiungendo componenti di lega al metallo fuso durante la riproduzione delle particelle di polvere. I vantaggi delle polveri pre-legate sono la microstruttura uniforme e le proprietà meccaniche, ma gli svantaggi sono la maggiore durezza e la scarsa comprimibilità.
Con polvere mista si intende generalmente una miscela di polvere di ferro, polvere di rame, polvere di carbone e un legante. Lo svantaggio è che è difficile da miscelare in modo uniforme, ma il vantaggio è che è facile produrre pezzi densi. Gli effetti dell'aggiunta di lubrificanti sono i seguenti:
- Migliora la fluidità della polvere. Questo aiuta a ridurre i tempi di riempimento della cavità dello stampo e a rendere la densità del verde più uniforme.
- Aumentare la densità e la comprimibilità della polvere.
- Aiuta a ridurre l'attrito tra la polvere e lo stampo e a ridurre la perdita dallo stampo.
Compattazione
Compattazione della polvere È un processo di formatura in cui la polvere metallica viene inserita in uno stampo con un contenitore per la polvere e poi pressata in una forma specifica dalla pressa per la metallurgia delle polveri. Il prodotto risultante è chiamato "compatto verde".
Esistono diversi metodi principali di compattazione:
Compattazione a singola azione: in questo processo, il punzone superiore applica pressione e il punzone e la matrice inferiori non si muovono. Questo metodo produce facilmente un prodotto con un'alta densità nella parte superiore e una bassa densità in quella inferiore. È adatto solo per componenti più sottili. Questa pressa è economica.
Compattazione a doppia azione: durante il processo di formatura, il punzone superiore e quello inferiore comprimono la polvere contemporaneamente. Ciò si traduce in una densità verde uniforme.
Matrice flottante: con questo metodo, i punzoni superiori premono verso il basso, il punzone inferiore non si muove e la matrice scende a metà della corsa del punzone superiore.
I primi due metodi utilizzano una tecnica di sformatura in cui un punzone verso il basso espelle il pezzo. Nel secondo metodo, lo stampo continua a scendere, esponendo il pezzo nella parte superiore dello stampo.
sinterizzazione
Il compatto verde è forte come il gesso, quindi ne hai bisogno processo di sinterizzazione per migliorarne la resistenza meccanica.
Pre-sinterizzazione
I lubrificanti e i leganti menzionati in precedenza favoriscono lo scorrimento e la formatura delle polveri. Tuttavia, devono essere rimossi prima del processo di sinterizzazione ad alta temperatura, poiché ostacolano l'adesione e la densificazione tra le polveri. In genere, la pre-sinterizzazione viene eseguita a temperature comprese tra 500 e 900 gradi Celsius per 30-45 minuti, durante i quali questi lubrificanti e leganti evaporano trasformandosi in gas. È importante riscaldare gradualmente, poiché un riscaldamento troppo rapido potrebbe causare difetti come bolle, rotture o crepe.
sinterizzazione
La sinterizzazione diffonde e lega particelle metalliche a temperature inferiori al loro punto di fusione, solitamente tra l'80% e il 90% del punto di fusione. Si compone di 3 fasi.
Fase iniziale (formazione del collo)
Quando il compatto verde viene riscaldato fino alla temperatura di sinterizzazione, gli atomi iniziano a diffondersi nei punti di contatto tra le particelle, formando contatti superficiali (noti anche come colli).
Fase intermedia (densificazione)
All'aumentare del tempo di sinterizzazione, la diffusione diventa più pronunciata. Gli atomi diffondono attraverso il volume e i cristalli. I colli diventano più grandi e la distanza tra gli atomi diminuisce. Di conseguenza, il prodotto diventa meno poroso e più denso. Questa fase è significativa per migliorare la resistenza meccanica del prodotto finito.
Fase finale (chiusura dei pori e aumento della crescita)
Nella fase finale della sinterizzazione, i pori interconnessi diventano pori isolati. Il gas rimane intrappolato all'interno dei pori, ma può essere espulso lentamente. A causa della resistenza del gas compresso, è difficile ottenere la densità desiderata. Ciò porta anche a una rapida crescita della struttura di guadagno. In questa fase, è necessario bilanciare la densificazione e la crescita del guadagno per evitare di compromettere le proprietà meccaniche dei componenti sinterizzati.
Il ritiro dei componenti durante le fasi iniziali e finali della sinterizzazione è minimo, in genere intorno al 2-3%. La maggior parte dei fenomeni di sinterizzazione, tra cui una significativa densificazione e incollaggio, si verificano durante la fase intermedia.
Raffreddamento
Il raffreddamento è la riduzione graduale del pezzo dalla temperatura elevata di sinterizzazione alla temperatura ambiente, operazione che dura circa 2 ore.
Il raffreddamento non solo aiuta a eliminare gli stress termici, ma previene anche i difetti causati da un raffreddamento troppo rapido.
Temperatura e atmosfera
Le funzioni principali dell'atmosfera di sinterizzazione sono le seguenti:
- Impedire all'aria esterna di entrare nel forno di sinterizzazione e causare l'ossidazione del prodotto
- Aiuta a bruciare i lubrificanti e i leganti nel pezzo in lavorazione
- Riduzione dello strato di ossido sulla superficie del prodotto
- Controllo del contenuto di carbonio del prodotto
- L'atmosfera di sinterizzazione influisce sulla resistenza meccanica, sull'aspetto e sui costi di produzione del prodotto.
Le atmosfere di sinterizzazione più comuni includono:
- Idrogeno
- Ammoniaca decomposta
- Vuoto
- Azoto
- Argo
Le seguenti temperature di sinterizzazione dei metalli comunemente utilizzati nella pratica si basano sulla nostra esperienza di produzione.
| Materiali Necessari | Temperatura (℃) |
|---|---|
| A base di ferro | 1120 |
| A base di rame | 820 |
| Acciaio inossidabile | 1250 |
| A base di ferro e rame | 1120 |
Operazioni secondarie
Operazioni secondarie Sono processi aggiuntivi eseguiti su componenti in metallo in polvere dopo le fasi principali del processo di metallurgia delle polveri. Possono migliorare la precisione dimensionale e la finitura superficiale.
Lavorazione CNC
Sebbene la metallurgia delle polveri possa produrre forme complesse, è estremamente difficile realizzare parti con fori trasversali, fori ciechi o filettature. Inoltre, i componenti realizzati con la metallurgia delle polveri richiedono spesso lavorazioni meccaniche per migliorare la rugosità superficiale e la precisione dimensionale. processi di lavorazione per parti di metallurgia delle polveriincludono tornitura, foratura, fresatura, rettifica, maschiatura e filettatura.
dimensionamento
Il dimensionamento ripristina il diametro interno, il diametro esterno, la planarità e altre dimensioni del pezzo sinterizzato alle dimensioni corrette. Durante il dimensionamento, i pezzi sinterizzati vengono posizionati in uno stampo e viene applicata una pressione per correggere eventuali deviazioni dimensionali che si verificano durante la sinterizzazione, come ritiro o deformazione.
Ad esempio, in un prodotto con diametro di 25 mm, il dimensionamento consente di migliorare la tolleranza da IT8-IT9 a IT6-IT7. Il dimensionamento aiuta a mantenere tolleranze dimensionali rigorose e migliora la finitura superficiale del prodotto. Inoltre, il dimensionamento può sigillare i pori superficiali dei cuscinetti impregnati d'olio.
Impregnazione con resina
I prodotti PM contengono molti pori, il che non è ideale per ambienti ad alta pressione. Sebbene l'infiltrazione di rame possa riempire questi pori, è più costosa. L'impregnazione con resina è un'alternativa più economica. In genere, la resina viene impregnata nei pori dei componenti utilizzando alta pressione o vuoto.
Impregnazione dell'olio
Quando un cuscinetto è in funzione, di solito viene aggiunto olio lubrificante per ridurre l'attrito. Tuttavia, per alcuni cuscinetti difficili da raggiungere, l'aggiunta di olio lubrificante risulta scomoda. È in questi casi che sono necessari cuscinetti impregnati d'olio. processo di impregnazione dell'olio è simile all'impregnazione con resina, quindi non entrerò nei dettagli.
Infiltrazione di rame
Infiltrazione di rame È un processo utilizzato per migliorare le proprietà meccaniche di componenti strutturali sinterizzati, tipicamente a base di ferro. Durante questo processo, il rame viene fuso e aspirato nei pori delle parti metalliche porose per capillarità, migliorandone resistenza e densità.
L'infiltrazione di rame migliora la densità, la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura dei componenti sinterizzati.
Burattatura e sabbiatura
Durante la compattazione, a causa degli spazi tra il punzone superiore, il punzone inferiore, l'asta centrale e la matrice, si formano facilmente delle sbavature dopo il riempimento con polvere.
È possibile utilizzare la burattatura e la sabbiatura per rimuovere queste bave. La burattatura fa sì che il pezzo in lavorazione urti contro la superficie in ceramica e che l'attrito venga generato da una macchina di rettifica vibrante. Questo riduce le bave e migliora la finitura superficiale.
La sabbiatura è il processo che consiste nell'impatto della superficie di un prodotto con un mezzo abrasivo come sabbia, ossido di alluminio o carburo di silicio. Questo processo viene eseguito in un ambiente chiuso. Talvolta, la sabbiatura viene eseguita prima, seguita dalla burattatura, per ottenere una finitura superficiale priva di sbavature.
Galvanotecnica
La galvanoplastica è un processo di finitura superficiale che utilizza la corrente elettrica per depositare un sottile strato metallico da un elettrolita su un componente sinterizzato. Questo processo migliora le proprietà superficiali dei componenti sinterizzati, aumentandone la resistenza alla corrosione, all'usura e la conduttività elettrica.
Materiali della metallurgia delle polveri
Polvere di ferro
La polvere di ferro ha una buona resistenza e magnetismo ed è poco costosa. La maggior parte delle parti strutturali è realizzata con materiali a base di ferro.
Polvere di acciaio inossidabile
L'acciaio inossidabile ha un'eccellente resistenza alla corrosione grazie al suo contenuto di cromo superiore al 10%. Offre inoltre robustezza, durezza e proprietà magnetiche affidabili. Gli acciai inossidabili più comuni includono le serie 300, 400 e 17-4PH.
Polvere di rame
Il rame, compresi bronzo e ottone, ha una conduttività elettrica e termica favorevole, che lo rende ideale per i componenti elettronici. Il rame è adatto come substrato per cuscinetti autolubrificanti e può anche migliorare la densità e la resistenza delle parti in ferro attraverso il processo di infiltrazione del rame.
Polvere di leghe di alluminio
Le leghe di alluminio sono adatte alla realizzazione di parti strutturali leggere.
Polvere di leghe di titanio
Le leghe di titanio, come Ti-6Al-4V e Ti-6Al-5Nb, offrono elevata resistenza, eccellente resistenza alla corrosione e buona biocompatibilità. Trovano applicazione in diversi settori, tra cui aerospaziale, medicale e automobilistico.
Superleghe a base di nichel
Le superleghe a base di nichel, come Inconel® 718, sono note per l'eccellente resistenza all'ossidazione, alle alte temperature, alla corrosione e al creep. Sono utilizzate principalmente nei settori aerospaziale, automobilistico e chimico.
Utensili per metallurgia delle polveri
Utensili per metallurgia delle polveri comprende i punzoni superiore e inferiore, la matrice e l'asta centrale.
Pugni superiori e pugni inferiori
I punzoni sono responsabili della pressatura della polvere metallica. Il numero di punzoni dipende dalla forma del prodotto. I punzoni sono principalmente realizzati in acciaio per utensili, come M2 e A2 (standard AISI) o SKD11 (standard JIS).
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Lo stampo è il luogo in cui viene formata la polvere metallica e deve resistere alla pressione assiale e laterale esercitata dalla polvere. Pertanto, lo stampo è principalmente realizzato in CPM10V, ASP-60 o C11.
Asta centrale
L'asta centrale serve a creare le caratteristiche interne del prodotto.
Poiché l'asta centrale è lunga e si rompe facilmente durante la sformatura, è realizzata in acciaio per utensili con elevata resistenza alla trazione.
Applicazioni della metallurgia delle polveri
La metallurgia delle polveri ha un'ampia gamma di applicazioni, tra cui automobili, motociclette, dispositivi medici, industria aerospaziale, filtri ed elettrodomestici.
Automotive
L'industria automobilistica rappresenta un mercato importante per l'industria della metallurgia delle polveri. Sono oltre 1,000 i componenti in polvere metallica impiegati nelle automobili.
- Componenti del motore:
- Ingranaggi di temporizzazione
- Pignoni dell'albero a camme
- Guide valvole
- Rotori della pompa dell'olio
- Ingranaggi della pompa dell'olio
- Bielle
- Componenti della trasmissione:
- Hub sincronizzatori
- Supporti per ingranaggi planetari
- Piatti Frizione
- Forcelle del cambio
- Anelli sensore ABS
- Flange del collettore di scarico
Applicazioni mediche
Lo stampaggio a iniezione di metalli è uno speciale processo di metallurgia delle polveri. Permette di realizzare prodotti di piccole dimensioni, estremamente precisi e biocompatibili.
Alcuni esempi sono gli attacchi ortodontici metallici, gli impianti ortopedici, i dispositivi medici e gli strumenti chirurgici.
Aeronautico
Gli ingegneri aerospaziali prediligono componenti leggeri, resistenti alle alte temperature e meccanicamente robusti. Perché non solo garantiscono la sicurezza degli aeromobili in ambienti di lavoro difficili, ma riducono anche il consumo di carburante.
La metallurgia delle polveri è in grado di realizzare prodotti dalle prestazioni eccellenti, come pale di compressori, dischi di turbine e rivestimenti per camere di combustione.
Moto
Sebbene non ci siano tante parti in polvere metallica sulle motociclette come sulle auto, ce ne sono ancora molte, tra cui
- Parti dell'ammortizzatore
- Cuscinetti
- Regolatore dell'albero a camme
- Pastiglie freno sinterizzate
- Puleggia distribuzione
- Guida valvola moto
Strumenti
Le applicazioni della PM si vedono anche negli utensili. Per alcuni ingranaggi e boccole di utensili elettrici, la PM può essere utilizzata per la produzione di componenti.
Inoltre, gli utensili diamantati per la molatura, il taglio o la foratura sono spesso realizzati utilizzando la micropallina (PM). Le particelle di diamante sono incorporate in una matrice metallica creata dalla micropallina.
Filtro sinterizzato
Poiché le parti in metallo in polvere presentano più pori interni, è un processo ideale per la produzione filtri porosi sinterizzatiI filtri sinterizzati trovano ampia applicazione, tra cui la filtrazione dell'acqua, la filtrazione di petrolio e gas, la riduzione del rumore e la diffusione dell'ossigeno.
Vantaggi e svantaggi della metallurgia delle polveri
Quando si sceglie il settore della metallurgia delle polveri, è meglio soppesare i suoi vantaggi e svantaggi, come costi, tolleranza e capacità produttiva.
Vantaggi
- Forma quasi netta
Il processo di metallurgia delle polveri è un processo che produce quasi una forma netta, il che significa che prevede un elevato utilizzo del materiale e una minore lavorazione secondaria.
- Materiali Necessari
Alcuni metalli ad alto punto di fusione e metalli duri sono difficili da lavorare, ma la metallurgia delle polveri supera questa sfida. Un'ampia gamma di materiali, inclusi metalli ferrosi e non ferrosi, è adatta alla metallurgia delle polveri.
- Forme complesse
La metallurgia delle polveri è in grado di produrre componenti con forme complesse, come pareti sottili, altezze di gradino variabili e caratteristiche angolari. Queste caratteristiche sono difficili da ottenere con la forgiatura e lo stampaggio.
- Tolleranza stretta
La produzione in serie (MP) è in grado di raggiungere tolleranze dimensionali rigorose. Solitamente, è accettabile una tolleranza entro ±0.05 mm.
- Produzione di massa
Il processo di metallurgia delle polveri, che include pressatura e sinterizzazione, può essere altamente automatizzato, consentendo la rapida produzione di grandi quantità con un intervento umano minimo. I forni di sinterizzazione continui, come i forni a nastro trasportatore, sono progettati per un funzionamento continuo, aumentando la produttività e l'efficienza.
- Coerenza batch
Le variazioni tra i lotti di componenti in metallo in polvere sono minime. La coerenza tra i lotti è fondamentale per il funzionamento stabile e affidabile dei prodotti.
- Produzione verde
Il processo di metallurgia delle polveri è riconosciuto come un processo di produzione ecologico per quanto segue:
La metallurgia delle polveri genera pochissimi rifiuti e solitamente utilizza meno energia rispetto a processi come la fusione o la forgiatura, grazie alle temperature di lavorazione più basse e al minor numero di passaggi.
Inoltre, la PM produce acque reflue e gas meno nocivi rispetto ai tradizionali processi di produzione, come la fusione e la lavorazione meccanica.
Svantaggi
- Dimensioni e forma
A produttore di metallurgia delle polveri in genere produce componenti con diametri relativamente limitati, solitamente compresi tra 5 e 300 mm, a causa dei vincoli imposti dalla capacità della pressa per la compattazione delle polveri.
- Densità
La metallurgia delle polveri non è in grado di produrre prodotti completamente densi e la densità solitamente non supera il 95%.
- Utensili e attrezzature
Come tutti sappiamo, gli stampi per la metallurgia delle polveri sono estremamente precisi e materiali come il carburo di tungsteno utilizzati in questi stampi sono piuttosto costosi, il che comporta costi di produzione considerevoli. Inoltre, il processo di metallurgia delle polveri richiede attrezzature più specifiche, il che aumenta l'investimento iniziale.
- Finitura di superficie
A differenza di altri pezzi lavorati, i pezzi in metallo in polvere presentano numerosi pori al loro interno. Pertanto, i pori devono essere riempiti prima del processo di galvanica, con conseguente aumento dei costi di produzione.
Il mercato cinese della metallurgia delle polveri è cresciuto da 1.9 miliardi di dollari nel 2017 a 2.35 miliardi di dollari nel 2021. La tecnologia cinese per la metallurgia delle polveri è ben sviluppata e i suoi prodotti sono costantemente di alta qualità. Questi prodotti sono al servizio dell'industria automobilistica europea e americana da molti anni. Inoltre, i prezzi sono altamente competitivi.
BLUE è un produttore cinese certificato ISO 9001:2015 che offre una gamma completa di componenti in metallo sinterizzato. Forniamo componenti standard senza costi di attrezzaggio, tra cui componenti strutturali, boccole sinterizzate, componenti MIM e componenti ceramici sinterizzati.
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FAQ
Puoi spiegare i vantaggi della metallurgia delle polveri rispetto ad altri metodi di formatura dei metalli?
Rispetto ai tradizionali processi di produzione dei metalli, come la fusione e la lavorazione meccanica, la metallurgia delle polveri offre diversi vantaggi distintivi:
Elevato utilizzo del materiale:
Rispetto alla fusione o alla lavorazione meccanica, che spesso comportano notevoli sprechi di materiale, i processi di metallurgia delle polveri offrono un elevato tasso di utilizzo del materiale, superiore al 95%.
Forma quasi netta:
I processi di metallurgia delle polveri producono forme quasi nette, con pezzi prodotti in un'unica pressa. Questo non solo riduce le successive lavorazioni secondarie, ma riduce anche i tempi di produzione.
Produzione di massa economica ed efficiente:
Le linee di produzione per la metallurgia delle polveri sono altamente automatizzate, con presse per polveri in grado di produrre 20-30 pezzi al minuto. Poiché la metallurgia delle polveri produce scarti di materiale minimi, la metallurgia delle polveri offre significativi vantaggi economici per la produzione di grandi volumi.
Design flessibile:
La metallurgia delle polveri utilizza la polvere metallica come materia prima, consentendo agli ingegneri di aggiungere elementi di lega in base alle caratteristiche del prodotto.
Sostenibilità:
La PM è riconosciuta come un processo di produzione ecologico grazie all'elevato utilizzo di materiali e al basso consumo energetico.