Published on 10/9/2017
Categories: Applications

Sinterizzazione in vuoto: la guida passo passo #4

Sinterizzazione in vuoto: la guida passo passo #4

Eccoci arrivati alla parte finale del nostro articolo sul processo di sinterizzazione in vuoto. Nella prima parte, vi ho fornito un’introduzione sulle fasi di deceratura e sinterizzazione. Nella seconda parte, invece, mi sono concentrato maggiormente sui forni da sinterizzazione analizzandone le caratteristiche specifiche, quali camera termica, flusso del gas ed operazioni di carico. Nella terza parte, ho preso in esame le operazioni di rimozione del legante, il cosiddetto debinding, facendo fluire il discorso sulle caratteristiche di un buon condensatore di legante. Adesso possiamo andare avanti con l’ultima parte del nostro articolo sulla sinterizzazione. Attraversato il condensatore, che cosa accade ai nostri residui di legante (binder) pompati con il gas di processo?

Pompa primaria e residui di legante: che cosa può succedere?

Dopo il condensatore, il gas pompato raggiunge la pompa primaria. E questo ci pone di fronte a due tipi di problemi: un problema è quello legato agli eventuali residui della dissociazione del binder, mentre l’altro problema è quello dell’eventuale reattività del gas di processo stesso.

Per quanto riguarda il primo punto, non bisogna stupirsi che alcuni residui della dissociazione del binder raggiungano la pompa, e non si deve per questo pensare che il condensatore non stia funzionando. Bisogna ricordare che per qualunque sostanza, a ciascuna temperatura è associata una tensione di vapore, ovvero una pressione del vapore in equilibrio con la fase solida o liquida della stessa sostanza che esiste a quella temperatura. Pertanto, anche un condensatore per così dire “perfetto” non potrebbe avere in uscita una pressione parziale di residui di binder inferiore alla tensione di vapore che tali sostanze hanno in corrispondenza della temperatura dell’acqua utilizzata per raffreddare il condensatore.

In teoria, questi residui potrebbero essere ulteriormente ridotti usando altri tipi di filtraggio, analoghi a quello impiegato per le torri di abbattimento per gli scarichi industriali. Si parla in questo caso di trappole bagnate (wet). Nella pratica, tuttavia, il costo per questo tipo di soluzione sarebbe troppo elevato, sia per quanto riguarda una torre che dovesse lavorare sottovuoto, dovendo filtrare il gas prima di raggiungere la pompa, sia per un fluido in grado di non dare problemi di retrodiffusione verso la camera termica, che dovrebbe essere periodicamente cambiata in quanto inquinato dai residui di binder.

Per questi motivi, solitamente si preferisce agire sulla pompa primaria, o cercando di evitare che il binder condensi nella pompa, o facendo in modo che la pompa si possa pulire. In verità, abbiamo visto che alcuni usano di proposito pompe poco costose, accettando il fatto di doverle cambiare o riparare ogni volta che si danneggiano, ma in genere è possibile studiare delle soluzioni meno estreme.

Come evitare che il binder condensi nella pompa?

Andiamo con ordine, chiedendoci innanzitutto come mai il binder dovrebbe condensare nella pompa se prima non è condensato nel condensatore? La risposta è semplice: perché nella pompa avviene una compressione, e la compressione favorisce la condensazione dei vapori. Seguon, quindi, due modi per evitare il problema: limitare la compressione o contrastare la condensazione conseguente alla compressione cambiando nel contempo un altro parametro, ovvero la temperatura.

Per quanto riguarda la limitazione della compressione, è universalmente nota la tecnica dello zavorramento (in inglese gas ballast) della pompa rotativa: in pratica, durante la fase di compressione del gas aspirato dalla pompa, viene aperta una valvola che consente l’ingresso di aria o altro gas dall’esterno, favorendo l’apertura della valvola di scarico della pompa senza ulteriore compressione del volume aspirato, e quindi senza condensazione di eventuali vapori in esso contenuti.

Per quanto riguarda la temperatura, una soluzione abbastanza naturale sarebbe abbassare la temperatura della trappola. Tuttavia, al di sotto dei valori comunemente raggiunti dai chiller industriali è troppo costoso andare. Di contro, è più semplice spostarsi verso pompe rotative che lavorino a temperature più alte, anche perché queste sono solitamente pompe poco costose. Infatti, chi si intende di vuoto ma non ha familiarità con i problemi della sinterizzazione, tende a mettere pompe con prestazioni elevate in termini di vuoto ultimo. Per ottenere questo, però è importante limitare la retrodiffusione dei vapori d’olio, e per questo la pompa deve lavorare a basse temperature. Così facendo però si facilita la condensazione di vapori provenienti dai residui di binder che contaminano l’olio e danneggiano la pompa. Si arriva così all’apparente paradosso che una pompa meno raffinata e che lavora ad una temperatura più elevata a costo di un vuoto ultimo peggiore si dimostra più adatta a questo processo e più longeva in queste condizioni di lavoro.

La ricerca di possibilità di pulire periodicamente le pompe per evitare problemi, invece, ci porta dalle pompe rotative comuni alle pompe a secco. Seppure neanche queste ultime sono immuni dai problemi di condensazione, almeno non contengono olio che possa venire contaminato. Oltre a questo, diversi costruttori hanno modelli di pompa esplicitamente pensati per essere smontati per la pulizia dei rotori, oppure, ancora più comodamente, prevedono kit di lavaggio appositamente studiati per le applicazioni di sinterizzazione, che consentono di pulire la pompa senza smontarla e senza ovviamente che si debba danneggiare.

Spero che questo articolo sia finora stato utile e soddisfacente. Adesso, infatti, vorrei concentrarmi su due punti: l'alto vuoto e la pressione nei forni per sinterizzazioni.

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L’alto vuoto nei forni da sinterizzazione

Nonostante le richieste di alcuni clienti per forni da sinterizzazione con possibilità di lavorare in alto vuoto, ovvero circa tra 1E-3 mbar e 1E-6 mbar, le applicazioni in questo campo risultano piuttosto limitate.

L’esigenza nasce dalla preoccupazione per alcuni materiali che sono particolarmente sensibili a residui di ossigeno, come ad esempio il titanio. Tuttavia, visto che la maggior parte del processo avviene in pressione parziale, per l’effetto di pulizia di cui abbiamo parlato sopra, l’uso di un’eventuale pompa a diffusione si riduce nella pratica ad una purga in alto vuoto prima dell’inizio del processo, che può essere efficacemente sostituita da una breve sequenza di lavaggi in gas inerte (tipicamente due o tre) mantenendo l’impianto più semplice.

Sinterizzazione e processo di HIP (Hot Isostatic Pressing)

Solitamente, i forni da sinterizzazione non hanno bisogno di lavorare in pressione, a meno che non si tratti della leggera sovrapressione necessaria per flussare gas senza passare dalle pompe da vuoto o che non si voglia temprare i pezzi sinterizzati all’interno dello stesso ciclo.

L’eccezione più notevole è quella in cui si prevede di avere problemi di densità del materiale sinterizzato, e pertanto si prevede la possibilità di effettuare un processo di HIP (Hot Isostatic Pressing) subito dopo la sinterizzazione. In questo caso, in base all’applicazione, pressioni variabili tra i 30 ed i 150 bar possono essere tipicamente usate, facendo lievitare notevolmente i costi dell’impianto.

Come sempre, spero che questo articolo torni utile per le vostre applicazioni. Tuttavia, per avere una visione completa sulla sinterizzazione in vuoto, date un'occhiata anche alla prima parte dell’articolo su debinding e sinterizzazione. Quindi proseguite con la seconda parte sui forni per sinterizzazioni in vuoto e, infine, la terza parte sulla rimozione del legante.

Ora, se avete qualsiasi dubbio sul processo di sinterizzazione sottovuoto, sarò più che felice di aiutarvi. Fate domande! Le vostre domande altro non sono che suggerimenti per approfondire aspetti sui forni da sinterizzazione che non sono ancora stati trattati.

A proposito, ho anch'io una domanda per voi. Finora abbiamo sempre preso in considerazione forni con atmosfera di processo inerte (tipicamente vuoto, argon o azoto). Se, invece, fosse richiesta un’atmosfera con gas infiammabili, come ad esempio idrogeno, che cosa accadrebbe? Quali sono i vantaggi, il valore aggiunto o i difetti di questa scelta? Ci piacerebbe molto approfondire questo argomento, se avete esperienza sul campo saremmo interessati a conoscere la vostra opinione. Scriveteci nella sezione commenti qui sotto.

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