Published on 6/15/2017
Categories: Applications

Sinterizzazione in vuoto: la guida passo passo #1

Sinterizzazione in vuoto: la guida passo passo #1

Questa è la prima parte di un cospicuo articolo sulla sinterizzazione sottovuoto. Attraverso un approccio “per tappe”, verranno fornite le conoscenze tecniche necessarie per una gestione ottimale del processo di sinterizzazione. Verranno, inoltre, forniti suggerimenti utili per ottenere una perfetta sinterizzazione.

Vantaggi della sinterizzazione in vuoto

Il processo di sinterizzazione consiste in un trattamento termico da attuare su una polvere di materiale, in modo da consentire una corretta coalescenza delle singole particelle. Tale legame inter-particellare è garantito dalla diffusione atomica, favorita termodinamicamente dalle alte temperature. Questo trattamento è fondamentale per ottenere una buona qualità del materiale finale in termini di densità, porosità e resistenza meccanica. Le proprietà del prodotto finito, in termini di finitura superficiale del pezzo e di proprietà meccaniche, possono essere migliorate effettuando la sinterizzazione in un forno a vuoto. In tal modo sono garantite una riduzione dell’ossidazione delle singole particelle ed una conseguente migliore coalescenza delle stesse.

La sinterizzazione è una tecnologia efficace per realizzare componenti di forma particolare riducendo notevolmente le lavorazioni meccaniche. Pressatura di polveri metalliche, stampaggio ad iniezione di metallo (MIM), stampa 3D ed altre tecnologie simili possono trarre grande beneficio dalla qualità e dalla flessibilità superiori della sinterizzazione in vuoto.

I principali vantaggi della sinterizzazione a vuoto sono:

  • Parti pulite e brillanti
  • Qualità superiore
  • Meno difetti
  • Facilità di manutenzione
  • Flessibilità produttiva

Deceratura: il primo passo del processo di sinterizzazione

La prima scelta da compiere riguarda come effettuare la deceratura (debinding) dei pezzi. Il processo esatto dipende dal tipo di binder usato. Comunque, a parte il binder per cui esistono procedimenti specifici, per la maggior parte di essi il processo è di tipo termico, eventualmente preceduto da una fase preliminare in acqua.

Si pone quindi il problema di scegliere se effettuare il debinding nello stesso forno da sinterizzazione o se ricorrere ad un forno più specifico. La risposta non è univoca, e richiede di valutare diversi fattori, tra cui esigenze di pulizia del processo, fragilità dei pezzi, utilizzo della manodopera, produttività richiesta, consumi energetici, atmosfera di processo richiesta. Tutti fattori da prendere in considerazione per la scelta del forno da utilizzare. Ma ora vediamo tutti questi fattori nel dettaglio.

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Deceratura e sinterizzazione: come scegliere il forno giusto

  • Esigenze di pulizia del processo. In genere, debinding e sinterizzazione sono in qualche modo in conflitto, in quanto il debinding è un processo intrinsecamente “sporco”, intendendo con questo che nel forno vengono introdotte necessariamente sostanze diverse dalla polvere metallica che vogliamo portare a coalescenza, mentre la sinterizzazione deve essere un processo il più pulito possibile, nel senso che qualsiasi sostanza diversa dalla polvere metallica può alterare negativamente le caratteristiche del prodotto. Come vedremo più avanti, esistono delle tecniche molto efficaci per risolvere questo problema ed eseguire entrambi i trattamenti nello stesso forno. Tuttavia, è bene verificare che queste siano adeguate per la vostra applicazione. Se il binder che usate è particolarmente “fastidioso” o la vostra applicazione ha esigenze di purezza superiori alla media, potrebbe essere necessario o per lo meno opportuno effettuare il debinding in un forno a parte.

  • Fragilità dei pezzi. Va considerato che i pezzi dopo il debinding diventano estremamente fragili, e potrebbero rompersi a causa delle vibrazioni nello spostamento da un forno all'altro. Tuttavia, questo può essere facilmente risolto effettuando una pre-sinterizzazione nel forno da deceratura (che però deve essere in grado di raggiungere la temperatura richiesta, più alta di quella del solo debinding).

  • Utilizzo previsto di manodopera. Qualora il debinding si possa effettuare nello stesso forno da sinterizzazione, questa opportunità può essere sfruttata per evitare la manodopera richiesta per lo spostamento dei pezzi tra i due forni. Se le richieste di produzione sono elevate, questo vantaggio potrebbe essere molto importante, in quanto consentirebbe di caricare il forno la sera, effettuare il processo completo di debinding e sinterizzazione, e prelevare i pezzi pronti la mattina seguente senza bisogno di avere un turno notturno. Viceversa, se la produzione è così limitata da poter essere svolta di giorno e/o comunque è presente personale in loco per altri motivi, questo vantaggio diventa meno rilevante.

  • Produttività richiesta. Se la produzione è così ristretta da poter essere completata con un solo forno piccolo, l’acquisto di un forno separato per il debinding può essere un costo molto pesante, considerando che sotto ad un certo limite non si può ridurre ulteriormente il costo del forno diminuendo il volume utile. Se invece la produzione è elevata, o e si ha un significativo aumento della stessa, può avere senso anche economicamente far fronte a questo aumento con l’acquisto di un forno da debinding, che è sicuramente meno costoso a parità di volume utile. A questo proposito, vale anche la pena considerare che il tempo richiesto per il debinding termico può essere più lungo di quello per la sinterizzazione, cosa che è bene considerare nel dimensionamento della capacità dei forni. Ad esempio, se il tempo di debinding fosse doppio di quello di sinterizzazione, anche la capacità del forno da debinding dovrebbe essere doppia per non creare colli di bottiglia. Oltre al rapporto tra i volumi, anche quello tra le singole lunghezze deve essere studiato per facilitare lo spostamento della carica da un forno all'altro.

  • Consumo energetico. A parità di altre condizioni, sarebbe scontato che svolgere entrambi i processi consecutivamente nello stesso forno darebbe dei vantaggi in termini di risparmio energetico, in quanto si risparmierebbe l’energia necessaria per raffreddare i pezzi nel forno da debinding e riscaldarli nuovamente nel forno da sinterizzazione. Tuttavia, bisogna anche tener conto del fatto che i consumi del forno da deceratura possono essere significativamente diversi da quello del forno da sinterizzazione. Ad esempio, consideriamo il caso di un tipico forno da debinding a parete calda, costituito da una storta in cui la carica viene processata e con all'esterno il resistore ed un consistente strato di materiale refrattario ceramico. Se paragoniamo i suoi consumi con quelli di un forno da sinterizzazione in grafite, potremmo scoprire che non sono molto diversi, per cui il discorso di cui sopra può effettivamente essere valido. Se invece il forno da sinterizzazione fosse metallico, ed in particolare se il valore di pressione parziale utilizzato durante il debinding fosse elevato, il consumo del forno da sinterizzazione in metallo potrebbe risultare superiore, a causa della scarsa efficacia delle schermature metalliche in presenza di moti convettivi.

  • Atmosfera di processo richiesta. Nelle considerazioni precedenti abbiamo ipotizzato che i forni da debinding siano significativamente meno costosi dei forni da sinterizzazione. Questo è sicuramente vero se l’atmosfera di processo è inerte (tipicamente vuoto, argon o azoto). Se invece fosse richiesta un’atmosfera con gas infiammabili, come ad esempio idrogeno, le misure di sicurezza applicate potrebbero rendere la differenza di costo meno rilevante, e potrebbero risultare prevalenti le altre argomentazioni a favore dello svolgimento di entrambi i processi in un unico forno.

Hai qualche dubbio sul processo di deceratura? Basta chiedere e sarò più che felice di aiutarti e forniti consigli utili su debinding e sinterizzazione.

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