La sinterizzazione, detta anche frittage, è un processo che densifica e lega le particelle di polvere in un componente solido applicando temperature elevate al di sotto del loro punto di fusione. Il processo di sinterizzazione più comune è la sinterizzazione con metallurgia delle polveri, utilizzata per aumentare la resistenza, la densità e le proprietà meccaniche desiderate dei componenti in polvere metallica.
Cos'è il processo di sinterizzazione?
La sinterizzazione riscalda la polvere, provocando la diffusione degli atomi, l'avvicinamento delle particelle, la riduzione della superficie e la modifica della forma.
Fasi di sinterizzazione
Generalmente il processo di sinterizzazione è suddiviso in tre fasi: fase iniziale, fase intermedia e fase finale.
Stato iniziale
Le particelle di polvere formano punti di contatto per diffusione. Nei punti di contatto iniziano a formarsi dei colli e il materiale inizia a densificarsi leggermente. In questa fase, la maggior parte dei pori del pezzo è interconnessa.
Stage intermedio
I colli tra polveri adiacenti sono cresciuti e sono a contatto tra loro, entrando così nella fase intermedia. Ciò comporta una diminuzione della porosità e un significativo aumento della densità.
Fase finale
A questo punto, la maggior parte dei pori è isolata. Il gas presente nei pori rallenta l'ulteriore densificazione.
Quando la densità del pezzo raggiunge il 92%, i pori sono quasi completamente disgiunti. Inoltre, nella fase finale, la velocità di crescita dei grani è notevolmente accelerata.
Temperature di sinterizzazione
La temperatura di sinterizzazione dei metalli è compresa tra il 60% e l'80% del loro punto di fusione.
Ecco alcune temperature comuni per la sinterizzazione convenzionale dei metalli:
- Temperatura di sinterizzazione del ferro: 1120-1150 °C (2048-2102 °F)
- Temperatura di sinterizzazione del rame: 800 °C
- Temperatura di sinterizzazione dell'acciaio inossidabile: 1250 °C.
- La temperatura di sinterizzazione della ceramica è generalmente compresa tra 1000 e 2000 °C.
Atmosfera di sinterizzazione
L'atmosfera di sinterizzazione influenza le proprietà meccaniche e l'aspetto del prodotto finale. Le atmosfere di sinterizzazione più comuni includono: idrogeno, azoto, argon, vuoto e ammoniaca decomposta. Le sue funzioni principali sono le seguenti:
- Impedire all'aria esterna di entrare nel forno di sinterizzazione e di causare l'ossidazione o la decarburazione del pezzo.
- L'atmosfera di sinterizzazione aiuta a ridurre lo strato di ossido sulla superficie della polvere compattata.
- Aiuta a bruciare i lubrificanti e gli adesivi presenti nel pezzo in lavorazione.
Tipi di processo di sinterizzazione
I tipi più comuni di processi di sinterizzazione includono: sinterizzazione in fase solida, sinterizzazione in fase liquida, sinterizzazione di reazione, sinterizzazione a microonde e sinterizzazione al plasma a scintilla.
Sinterizzazione allo stato solido
Sinterizzazione allo stato solido è un processo basato sulla diffusione che lega e densifica le polveri al di sotto del loro punto di fusione senza formare una fase liquida. Si basa sulla diffusione atomica lungo i bordi dei grani per ridurre l'energia superficiale e produrre una microstruttura densa e stabile.
sinterizzazione in fase liquida
Sinterizzazione in fase liquida È particolarmente adatto per materiali difficili da densificare mediante sinterizzazione allo stato solido o con punti di fusione elevati, come il carburo di tungsteno e il carburo di silicio. Le materie prime utilizzate nella sinterizzazione in fase liquida sono solitamente polveri di più elementi. Quando la temperatura di sinterizzazione è superiore al punto di fusione di un elemento o supera il punto eutettico o peritettico tra le polveri, si produrrà una fase liquida.
La sinterizzazione in fase liquida può aumentare in modo efficace la velocità di sinterizzazione perché la forza capillare della fase liquida può condensare la polvere e gli atomi si diffondono più rapidamente nel liquido che nel solido.
Sinterizzazione permanente in fase liquida
La sinterizzazione in fase liquida permanente si verifica quando la fase liquida è sempre presente durante il processo di sinterizzazione, come nel caso della sinterizzazione della polvere W-Cu.
Sinterizzazione transitoria in fase liquida
La sinterizzazione transitoria in fase liquida è un processo in cui una fase liquida si forma durante la fase iniziale della sinterizzazione, ma si solidifica nella fase successiva.
Sinterizzazione al plasma Spark
Sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS), nota anche come sinterizzazione assistita dal campo (FAST) o sinterizzazione a scarica elettrica, è un metodo a corrente pulsata assistita dalla pressione utilizzato per la fabbricazione di ceramiche, metalli e materiali duri.
L'SPS trasmette migliaia o addirittura decine di migliaia di impulsi di corrente continua attraverso il pezzo in lavorazione, con una velocità di riscaldamento che raggiunge i 600 °C/min. Combinando corrente elevata, riscaldamento rapido, alta temperatura e alta pressione, l'SPS densifica i pezzi in modo rapido ed efficiente.
Sinterizzazione a microonde
Negli ultimi anni, la sinterizzazione a microonde si è affermata come metodo efficace per la produzione di ceramica. A differenza della tradizionale sinterizzazione senza pressione, sfrutta la perdita dielettrica del materiale per assorbire le microonde e generare calore internamente. Ciò consente al pezzo in ceramica di riscaldarsi rapidamente e uniformemente dall'interno, consentendo tempi di sinterizzazione più brevi, temperature più basse e una migliore efficienza energetica.
La sinterizzazione a microonde può produrre ceramiche di forma complessa con microstrutture più fini e uniformi, densità e resistenza maggiori. Ad esempio, Janney ha sinterizzato con successo Al₂O₃ a 1200 °C in 60 minuti, 250 °C in meno rispetto ai metodi convenzionali.
Sinterizzazione senza pressione
La sinterizzazione senza pressione è il metodo di sinterizzazione più utilizzato, che richiede solo alte temperature e nessuna pressione esterna per fondere insieme le particelle di polvere. Il processo di sinterizzazione convenzionale con metallurgia delle polveri è la sinterizzazione senza pressione.
Sinterizzazione reattiva
La sinterizzazione reattiva è un tipo di processo di sinterizzazione in cui si verificano simultaneamente reazioni chimiche tra la polvere metallica, dando origine alla formazione di fasi liquide o composti all'interno del materiale.
La sinterizzazione a reazione può aumentare la densità del compatto verde fino a oltre il 95% in pochi minuti. Tuttavia, a causa della fase liquida generata al suo interno, il pezzo è soggetto a deformazione. Viene comunemente utilizzata per la produzione di materiali ceramici avanzati, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di silicio (Si₃N₄).
Materiali utilizzati per la sinterizzazione
Il processo di sinterizzazione può elaborare un'ampia gamma di materiali, principalmente come segue:
Metalli
La maggior parte dei metalli può essere ottenuta tramite sinterizzazione, tra cui ferro, lega ferro-rame, bronzo, ottone, rame puro, acciaio inossidabile serie 300 e serie 400, lega di nichel, lega di acciaio, lega di titanio e materiali compositi magnetici dolci.
Questi materiali possono essere formati mediante compattazione di stampi, stampaggio a iniezione di metalli, stampa 3D e quindi sinterizzati nei componenti finali.
Ceramici
La ceramica ha punti di fusione estremamente elevati e risulta difficile da lavorare con i processi di produzione tradizionali.
Ceramica sinterizzata includono: ossido di alluminio, nitruro di alluminio, ossido di zirconio, nitruro di silicio, nitruro di boro e carburo di silicio.
La ceramica viene solitamente realizzata mediante pressatura a freddo, stampaggio a iniezione o pressatura isostatica e poi sinterizzata.
Plastica
Plastica sinterizzata Hanno una vasta gamma di utilizzi, tra cui marmitte, silenziatori, ecc. I materiali plastici sinterizzati includono: PP, PE, UPE, PA, PTFE, PVDF. Le plastiche sinterizzate hanno un'elevata efficienza di filtrazione e una struttura leggera.
Forno di sinterizzazione
Convenzionale forni di sinterizzazione per metallurgia delle polveri includono principalmente i seguenti tipi:
Forno di sinterizzazione a nastro trasportatore
La temperatura di esercizio dei forni di sinterizzazione a nastro trasportatore è in genere inferiore a 1150 °C, limitata dalla resistenza termica del materiale del nastro. Di conseguenza, questi forni sono generalmente utilizzati per prodotti a base di ferro e rame. Il nastro trasportatore si muove solitamente a una velocità compresa tra 50 e 250 mm al minuto, con una larghezza standard di circa 500 mm.
Forno di sinterizzazione a spinta
Un forno di sinterizzazione a spinta sposta i prodotti attraverso le zone di riscaldamento utilizzando un'asta di spinta, garantendo un elevato livello di automazione e un funzionamento continuo.
Forno di sinterizzazione sottovuoto
I forni di sinterizzazione sotto vuoto possono raggiungere temperature molto elevate, fino a 2500 °C o superiori, rendendoli adatti alla sinterizzazione di materiali ad alto punto di fusione come ceramiche, carburo di tungsteno e molibdeno. Tuttavia, il loro principale svantaggio è la relativa bassa efficienza produttiva.
Vantaggi e svantaggi della sinterizzazione
Vantaggi della sinterizzazione
Il processo di sinterizzazione offre i seguenti vantaggi:
- I pezzi realizzati mediante sinterizzazione presentano un'elevata costanza qualitativa da lotto a lotto.
- Il processo può raggiungere tolleranze ristrette.
- Sinterizzazione della metallurgia delle polveri è conveniente nella produzione su larga scala.
- La sinterizzazione è una forma quasi netta e non richiede operazioni di finitura secondarie.
Svantaggi della sinterizzazione
Presenta anche alcuni svantaggi:
- I pezzi sinterizzati convenzionali presentano dei pori e le loro proprietà meccaniche potrebbero non essere buone quanto quelle dei pezzi lavorati o forgiati.
- Il processo convenzionale di sinterizzazione delle polveri metalliche richiede un tempo di sinterizzazione lungo.
- Il metodo di pressosinterizzazione si basa anche su uno stampo per polvere di precisione, il che lo rende meno adatto alla produzione in piccoli lotti.
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FAQ
Qual è il processo di sinterizzazione nella produzione dei metalli?
La sinterizzazione nella produzione di metalli è un processo termico che rafforza le polveri metalliche compattate riscaldandole fino a una temperatura appena al di sotto del loro punto di fusione. Durante questa fase, si verifica una diffusione atomica nei punti di contatto tra le particelle, formando legami metallurgici e riducendo la porosità. Il risultato è un componente denso e ad alta resistenza, la cui geometria e proprietà finali sono definite dal compatto di polvere originale.
Quanto tempo richiede la sinterizzazione?
Dipende dal metodo di sinterizzazione.
La sinterizzazione convenzionale mediante metallurgia delle polveri dura circa 4 ore.
La sinterizzazione al plasma richiede solo circa 5-10 minuti.
Qual è la differenza tra sinterizzazione e ricottura?
La sinterizzazione trasforma la polvere compattata in un componente con le proprietà meccaniche desiderate.
La ricottura è un processo di trattamento termico che migliora le proprietà dei metalli solidi riducendone la durezza e ripristinandone la duttilità.
Qual è la differenza tra sinterizzazione e fusione?
La sinterizzazione viene eseguita al di sotto del punto di fusione del metallo, solitamente al 70-90%, legando le particelle senza trasformarle in liquido.
Al contrario, la fusione liquefa completamente il metallo, come si osserva nei processi di fusione.