Sinterizzazione

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Il processo di sinterizzazione (o metallurgia delle polveri) consiste nella compattazione e trasformazione di materiali ridotti in polveri in un composto indivisibile. Tale trattamento termico viene svolto ad una temperatura inferiore al punto di fusione del materiale.

La sinterizzazione permette l'ottenimento di:

  • organi sinterizzati con l'aiuto di fase liquida: si ottengono miscelando due o più polveri di materiali diversi che formano quindi un materiale compatto. Questo compatto viene successivamente portato ad una temperatura prossima alla fusione del materiale componente la polvere che fonde a temperatura inferiore, ottenendo quindi un materiale molto più tenace e resistente.
  • organi con forma prestabilita: si utilizzano polveri compresse in uno stampo per ottenere poi un compatto che verrà riscaldato a temperatura inferiore alla temperatura di fusione per quel materiale. Così facendo, si rafforzerà l'unione fra i grani che compongono la polvere e si avrà un organo pronto per subire processi di lavorazione diversi come ad esempio la forgiatura o l'estrusione.

Si utilizza per costruire dei materiali dotati di proprietà che non avrebbero se fossero creati con altre tecniche. Per fare un esempio, invece di "colare" la materia prima (ad esempio metallo o polimero) allo stato fuso (cioè liquida) in un calco, se ne può fare una "sinterizzazione", partendo da piccole particelle solide ("polveri"), che vengono saldate tra loro mediante l'aumento della temperatura.

Nella tecnologia di sinterizzazione classica o puramente termica o meccano-termica (ovvero con l'aiuto di pressione ed alta temperatura) la temperatura che deve essere raggiunta per ottenere il processo di sinterizzazione è di circa 0,7 e 0,9 volte la temperatura di fusione. Il procedimento consiste nella rimozione della porosità tra le particelle della polvere di partenza, nella crescita delle particelle, nella formazione di robusti collegamenti (colli) tra queste e nel ritiro dei componenti. La caratteristica di un componente realizzato per sinterizzazione è l'estrema durezza della superficie di lavoro, unita alla relativa economicità nel produrlo in serie.

Storia[modifica | modifica sorgente]

La sinterizzazione veniva già utilizzata qualche millennio fa nella produzione di manufatti in ceramica mentre l'utilizzo nel settore dei metalli è più recente dove si riduceva con il carbone la limatura d'acciaio ossidata e ottenuta da quest'ultimo quando si trovava allo stato pastoso. In questo modo la riduzione con il carbone eliminava le impurità permettendo poi la compressione e la forgiatura per ottenere un compatto. Nel secolo passato si ottennero le prime trafile nel 1915 con la sinterizzazione di carburi di W e Mo e già nel 1922 la Krupp si impegnò a mandare in produzione dei WC con il processo in fase liquida di cobalto. Sempre negli anni venti si cominciarono a realizzare tramite sinterizzazione materiali destinati a svolgere la funzione di contatti elettrici. Nei decenni successivi, molti furono i settori industriali che si avvalsero di questa tecnica: basti pensare che si realizzarono magneti, frizioni magnetiche, cuscinetti in bronzo poroso autolubrificati o delle palette per turbine a gas.[1]

Ottenimento delle polveri[modifica | modifica sorgente]

Le polveri vengono ricavate tramite processi fisico-chimici e meccanici. I processi meccanici vengono ottenuti frantumando del materiale fragile con dei martelli contenuti nei buratti ruotanti con sfere oppure polverizzando tramite coltelli rotanti delle bave di materiale fuso. Per quanto concerne i processi fisico-chimici, essi si ottengono in sette modi diversi:

  • da bagni salini per azione elettrolitica dove per effetto dell'urto si ricava la polvere che precedentemente si era depositata sotto forma spugnosa e poi essiccata
  • attraverso un massiccio getto di gas inerte che atomizza una bava di materiale fuso
  • attraverso l'idrogeno ad alta pressione che riduce gli ossidi
  • attraverso il monossido di carbonio ad alta pressione che dissocia i composti carboniosi volatili del ferro o del nichel
  • attraverso uno scintillio elettrico
  • attraverso il processo di ossidazione di trucioli finemente sminuzzati in polvere impalpabile a sua volta sottoposta a riduzione
  • attraverso un cannello al plasma che vaporizza il materiale e lo condensa sotto vuoto[1]

Ottenimento del compatto[modifica | modifica sorgente]

Rappresentazione del meccanismo di sinterizzazione tra particelle sferiche.

Il compatto si ottiene tramite:

  • forti pressioni impresse da vibratori ad alta frequenza, presse o laminatoi che esercitano forze di compressione con range minimo di 100 N/mm2 e range massimo di 1400 N/mm2 in funzione della densità desiderata da ottenere e della diversa plasticità
  • una pistola che spara la polvere contro una superficie fissa o rotante
  • secondo il procedimento per realizzare il bisquit in pezzi cavi, da polveri sedimentate: il liquido di sospensione delle polveri viene assorbito dalla zona porosa dello stampo ottenendo quindi degli organi metallici.
  • con un'esplosione in vasca d'acqua che permette conferimenti di ottime densità sfruttando le elevate pressioni in gioco
  • usando dei leganti durante il versamento delle polveri.[1]

Forma e dimensioni dei grani di polvere[modifica | modifica sorgente]

Anodo di tantalio sinterizzato visto al microscopio.

La forma e la dimensione dei grani è diversa in funzione della tipologia del procedimento usato. Si individuano forme dei grani sferiche, lamellari oppure poliedriche. In termini di dimensioni si può arrivare ad ottenere polveri con grani che si avvicinano all'ordine del millesimo di millimetro, ossia al micron.[1]

Metodi di sinterizzazione[modifica | modifica sorgente]

Rappresentazione di un particolare processo di sinterizzazione (stampaggio a iniezione delle polveri)

Sinterizzazione termica[modifica | modifica sorgente]

La polvere è pressata in uno stampo dotato di forma opportunamente disegnata, spesso con l'aggiunta di leganti polimerici per tenere assieme l'oggetto una volta estratto. Il verde (ovvero il pressato crudo che esce dallo stampo) viene trasferito in un forno in grado di eseguire un ciclo di de-binding o de-waxing in cui viene eliminato il legante polimerico e poi di vera e propria sinterizzazione in cui l'oggetto riduce le sue dimensioni nell'eliminazione delle porosità. L'oggetto così ottenuto ha una forma molto simile a quella dell'oggetto definitivo. I tempi di processo e le temperature sono correlate con le dimensioni e la natura del materiale che costituisce i componenti. Tipicamente possono durare da svariati minuti a giorni per temperature comprese tra 400 e oltre 2000 °C.

Sinterizzazione termomeccanica[modifica | modifica sorgente]

In questa famiglia di sinterizzazioni il riscaldamento ed il mantenimento della temperatura viene aiutato dal controllo della pressione meccanica dei sinterizzati. Un esempio classico è la cosiddetta pressatura isostatica a caldo (o HIP, dall'inglese Hot Isostatic Pressing) eseguita in stampi opportunamente disegnati per comprimere omogeneamente con un gas o un liquido il compatto di polveri. Le pressioni arrivano a 100-150 MPa tipicamente mentre le temperature possono superare i 1400 °C.

Sinterizzazioni elettro-termica o elettro-termo-meccanica[modifica | modifica sorgente]

Quando le polveri sono riscaldate più o meno indirettamente con l'ausilio di campi elettromagnetici ed in particolare di correnti elettriche,subentrano diversi fenomeni legati al comportamento dei materiali con il campo elettromagnetico. Negli ultimi anni sono state ampio oggetto di ricerca all'estero dagli anni '60 in avanti ed in Italia stanno prendendo sempre più piede anche grazie ai ridotti consumi energetici. Assorbono tutta l'energia richiesta dalla rete elettrica senza bruciare gas o idrocarburi per riscaldare un forno e portano la corrente efficientemente e limitatamente alla zona interessata che in genere consiste in uno stampo di grafite. Nuove tecnologie in grado di concentrare tutta l'energia elettromagnetica solo sulle polveri variano dalla sinterizzazione con laser (tecnologia statunitense detta Selective Laser Sintering o SLS) alla sinterizzazione con formazione di scintille e plasma (la giapponese Spark plasma sintering o SPS) per arrivare agli estremi delle sinterizzazioni a singolo impulso come la sinterizzazione a scarica capacitiva (ultima nata italiana Capacitor Discharge Sintering o CDS).

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Filtro in vetro sinterizzato.

Tra le principali applicazioni del processo di sinterizzazione vi è la produzione di filtri in materiali rigidi e di inserti in carburo di tungsteno cementato (metallo duro o widia) per il taglio dei metalli alle macchine utensili. Si costruiscono anche bielle, rotori per pompe a lobi, pulegge, ingranaggi e componenti per ammortizzatori. Tramite sinterizzazione si ottiene il cermet.

Inoltre questo trattamento viene utilizzato per migliorare le "paste" delle superfici frenanti dei veicoli (ferodi).

Erano realizzate tramite sinterizzazione le camme a profilo multiplo impiegate nelle calcolatrici meccaniche Olivetti prodotte negli anni settanta, ed operanti fino a 15 cicli al secondo.

Un altro utilizzo massiccio è per i conduttori elettrici sottoposti ad attrito quali le spazzole degli alternatori, i pantografi, e le aste di captazione filoviaria, composti di rame e grafite sinterizzati.

L'aggiunta di diamante sintetico alle polveri metalliche, permette di produrre utensili diamantati per svariati utilizzi, dalla lavorazione ed il taglio della pietra e dei materiali tecnici alla lucidatura di superfici.

Nel campo dell'ingegneria chimica, il processo di sinterizzazione è sfruttato per la produzione di alcune membrane.

In ingegneria elettronica la sinterizzazione è utilizzata per ottenere trasformatori con nuclei magnetici di ferriti a piccola isteresi magnetica, in maniera tale da ridurre le perdite nelle applicazioni ad alta frequenza.

La sinterizzazione è utilizzata anche per la realizzazione di strati metallici nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore.

Le pile, in particolare quelle al Ni-Cd sono composte da piastre sinterizzate.

Le pastiglie di ossido di uranio usate nei reattori nucleari di potenza moderati ad acqua leggera sono prodotte attraverso la sinterizzazione della polvere di ossido di uranio.

La tecnica della sinterizzazione si è diffusa anche nella gioielleria per i metalli preziosi (oro, argento e platino) ed è da sempre stata impiegata per i filamenti di tungsteno e per i componenti in molibdeno.

Sono in fase di sperimentazione avanzata da parte di un'industria italiana i primi impianti dentali in titanio ottenuti con un processo affine alla sinterizzazione, con la sola differenza che le polveri di titanio trattate con una fonte laser raggiungono effettivamente un punto di micro-fusione.[2] I primi impianti sperimentali su esseri umani sono stati impiantati nel settembre del 2007 all'università di San Paolo in Brasile, e la commercializzazione è prevista entro il 2009.[3]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b c d "Il nuovo manuale di meccanica" - Terza edizione - Zanichelli/Esac
  2. ^ Panorama.it: Odontoiatria sempre più su misura, con gli impianti sinterizzati
  3. ^ Panorama.it: Protesi pronte in due ore, nuova frontiera dell’ortopedia (vedi il commento di E. Combe a questo articolo)

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]