I componenti convenzionali a base di ferro in polvere metallica hanno generalmente una densità di 7.0 g/cm³. Come si può migliorare la densità dei componenti in polvere metallica? Esistono diversi metodi:
La compattazione a caldo è un metodo conveniente per aumentare la densità dei pezzi sinterizzati fino a 7.4 g/cm³.
Se si utilizza la pressatura secondaria e la sinterizzazione, è possibile aumentare la densità di parti di metallurgia delle polveri a 7.2–7.6 g/cm³, sebbene ciò comporti un aumento dei costi di circa il 70%. Con l'infiltrazione di rame, è possibile raggiungere densità di 7.2–7.6 g/cm³, mantenendo l'aumento dei costi intorno al 35%. Forgiatura a polvere consente di raggiungere densità ancora più elevate, pari a 7.6–7.8 g/cm³, ma può raddoppiare i costi.
Contenuti
Storia della compattazione a caldo
La compattazione a caldo è una tecnica di metallurgia delle polveri commercializzata negli anni '1990 per ottenere densità allo stato grezzo più elevate rispetto alla pressatura convenzionale. Riscaldando la polvere o l'utensile, il processo migliora la comprimibilità e la resistenza del componente finale. Inizialmente sviluppata da aziende come Hoeganaes con le polveri Ancordense™, la compattazione a caldo si è diffusa nel settore automobilistico per la produzione di componenti strutturali come ingranaggi e componenti VVT.
Processo di compattazione a caldo
Mescolanza
Durante il processo di miscelazione, polveri metalliche come ferro, acciaio o rame vengono miscelate con lubrificanti e leganti per ottenere una composizione uniforme. I lubrificanti contribuiscono a ridurre l'attrito durante la pressatura e facilitano il distacco del compatto dallo stampo.
Riscaldamento
Per il trasporto della polvere vengono utilizzati appositi imbuti di stoccaggio, tubi di trasporto e contenitori per la polvere, che vengono riscaldati a 130 °C. La variazione di temperatura deve essere controllata entro ±2.5 °C.
Quando la temperatura supera i 130 °C, la scorrevolezza e la densità apparente della polvere peggiorano. Il punzone superiore viene solitamente riscaldato con un riscaldatore a resistenza a cinghia, mentre la matrice intermedia viene solitamente riscaldata con un riscaldatore a tubo a una temperatura di circa 150 °C. Il punzone inferiore e l'asta centrale generalmente non necessitano di riscaldamento.
Pressatura
La polvere calda viene caricata in una cavità riscaldata e pressata ad alta pressione, solitamente da 400 a 800 MPa. L'alta temperatura favorisce la riorganizzazione delle particelle di polvere e una leggera deformazione plastica, dando origine a un compatto verde più denso e resistente rispetto alla pressatura a freddo.
Per le parti a base di ferro, la densità verde dei compatti pressati a caldo è solitamente di circa 7.3 g/cm³, superiore a quella dei compatti pressati a freddo convenzionali.
sinterizzazione
Infine, il compatto verde viene sinterizzato. Viene riscaldato ad alte temperature in un forno di sinterizzazione, tipicamente 1120-1150 °C per i materiali a base di ferro. Durante la processo di sinterizzazione, le particelle metalliche sono legate metallurgicamente, aumentando significativamente la resistenza meccanica e riducendo la porosità. Dopo la sinterizzazione, i pezzi potrebbero richiedere processi aggiuntivi come dimensionamento, trattamento termico, finitura superficiale o lavorazione meccanica per soddisfare i requisiti dimensionali e prestazionali finali.
Come funziona la compattazione a caldo
Riscaldare la miscela di polvere aumenta l'efficacia del lubrificante, riducendo l'attrito sia tra le particelle stesse che tra le particelle e la parete dello stampo. Un minore attrito interno consente ai granuli di polvere di riorganizzarsi più facilmente, mentre la ridotta resistenza alla parete dello stampo aiuta a distribuire uniformemente la forza di pressatura e porta a una densità più uniforme.
Inoltre, l'aumento di temperatura migliora anche la capacità di deformazione plastica della polvere metallica. La sinergia di questi effetti aumenta la densità finale del verde.
Vantaggi della compattazione a caldo
Basso costo
Lo stampaggio a caldo è una tecnologia a basso costo per ottenere componenti in metallurgia delle polveri di ferro ad alte prestazioni.
Aumentare la densità
La densità dei componenti ottenuti tramite metallurgia delle polveri a base di ferro può solitamente raggiungere 7.2-7.6 g/cm³ utilizzando la tecnologia di pressatura a caldo. Questo valore è superiore di 0.15-0.3 g/cm³ rispetto al tradizionale processo di pressatura e sinterizzazione una tantum.
Aumentare la forza
Rispetto ai tradizionali processi di metallurgia delle polveri, la resistenza alla fatica dei pezzi realizzati mediante pressatura a caldo può essere aumentata del 10%-40% e la resistenza a trazione finale aumenta del 10%. Quando i pezzi in polvere metallica vengono pressati a caldo e sinterizzati, e poi moderatamente ripressati, le loro proprietà di resistenza alla fatica sono equivalenti a quelle dei pezzi forgiati a caldo da polvere.
Ridurre la forza di sformatura
Utilizzando il processo di pressatura a caldo, la forza di estrazione si riduce di circa il 30%.
Densità uniforme
Componenti degli ingranaggi preparati mediante processo di pressatura a caldo. La differenza di densità tra il dente e la radice è inferiore di 0.1-0.2 g/cm³ rispetto a quella ottenuta con il processo di pressatura convenzionale.
Applicazioni della compattazione a caldo
Mozzo della turbina
Utilizzando il processo di compattazione a caldo, la densità del mozzo della turbina può superare i 7.25 g/cm³. La resistenza alla trazione del mozzo della turbina compattato a caldo può superare gli 800 MPa. Rispetto alla forgiatura, elimina i processi di lavorazione meccanica e trattamento termico, riducendo i costi del 30%.
ingranaggio
Gli ingranaggi realizzati con metallurgia delle polveri mediante processo di compattazione a caldo presentano i vantaggi di basso costo, elevata densità, prestazioni uniformi ed elevata precisione.
Tra quelli più comuni troviamo ingranaggi di trasmissione per autoveicoli, ingranaggi di pompe dell'olio, camme, ruote dentate, sincronizzatori, turbine dello sterzo, ingranaggi del motore, ingranaggi di utensili elettrici, ingranaggi elicoidali per cambi, ecc.
Metallurgia delle polveri Materiali magnetici
Il processo di compattazione a caldo migliora significativamente le proprietà magnetiche dei materiali grazie all'aumento della densità, motivo per cui viene utilizzato anche per materiali magnetici ottenuti tramite metallurgia delle polveri, come alimentatori per lampade fluorescenti, nuclei per trasformatori, filtri a bassa frequenza e nuclei per induttanze.
FAQ
Che cosa è la compattazione a caldo?
Durante il processo di compattazione a caldo, i produttori riscaldano solo lo stampo (solitamente a 60–110 °C) senza preriscaldare la polvere.
Il meccanismo di funzionamento della compattazione a caldo è simile a quello della compattazione a caldo. Tuttavia, a causa della temperatura inferiore, la densità a verde ottenuta è leggermente inferiore. La densità a verde nella compattazione a caldo è in genere di 0.05-0.15 g/cm³ superiore a quella della compattazione a secco, raggiungendo fino a 7.4 g/cm³. Grazie all'elevata densità a verde e al basso contenuto di lubrificante (0.2%-0.6%), la resistenza a verde può raggiungere i 35 MPa.