Sinterizzazione sottovuoto di acciai inossidabili: come scegliere la giusta atmosfera di sinterizzazione

Sinterizzazione sottovuoto di acciai inossidabili: come scegliere la giusta atmosfera di sinterizzazione

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Oggigiorno diverse tecnologie si affidano alla sinterizzazione per trasformare parti porose e fragili in componenti robusti e completamente densi: dalla pressatura della polvere al stampaggio ad iniezione di metalli, passando per la manifattura additiva a getto di legante e il FDM del metallo (Fused Deposition Modelling).

I componenti in acciaio inossidabile rappresentano gran parte del mercato dei pezzi sinterizzati; possono essere prodotti utilizzando una qualsiasi delle tecnologie sopra menzionate e hanno un'ampia varietà di applicazioni come il settore automobilistico, l’industria biomedica, la metalmeccanica e la moda.

Tra gli acciai inossidabili più diffusi utilizzati per la sinterizzazione vi sono i 304L, 316L, 440, 410 e 17-4 PH, scelti per le loro proprietà meccaniche unitamente alla loro eccezionale resistenza alla corrosione.

In questo articolo discuteremo di come i parametri di sinterizzazione, e in particolare l'atmosfera di sinterizzazione, possono influenzare la qualità ottenibile dalle parti in acciaio inossidabile sinterizzato.
Analizzeremo le tre opzioni che riguardano il gas e vedremo come in alcune circostanze ci sono soluzioni interessanti che possono soddisfare le tue esigenze. Prosegui nella lettura...

Introduzione alla sinterizzazione in vuoto

L'atmosfera gioca un ruolo essenziale nella buona riuscita del processo di sinterizzazione, per questo motivo l'atmosfera di sinterizzazione deve essere accuratamente selezionata in relazione al materiale e all'applicazione finale.

Sinterizzare sottovuoto (di fatto si tratta di un'atmosfera riducente) presenta diversi vantaggi:

  • Parti luminose dopo la sinterizzazione.
  • Assenza di ossidazione e/o contaminazione dell'atmosfera.
  • Precisa impostazione e monitoraggio dei parametri di processo.

Alcuni materiali devono essere sinterizzati sottovuoto con una pressione compresa tra 10-2 millibar e 10-4 millibar. Queste sono, ad esempio, le migliori condizioni per la sinterizzazione di materiali estremamente reattivi, come il titanio.

Tuttavia, la maggior parte dei materiali sinterizzati richiede atmosfere arricchite con gas inerti, come avviene anche per gli acciai inossidabili.

Forno per la sinterizzazione in vuoto

La condizione di partenza è sempre un forno freddo che ha raggiunto il livello di vuoto adeguato, che viene poi riempito (pressione parziale o sovrapressione) con gas inerte. Questo porta ai seguenti vantaggi:

  • Si può evitare l'esaurimento degli elementi di lega (ad esempio cromo e manganese).
  • L'eliminazione del legante residuo è facilitata da un flusso continuo di gas, che viene costantemente pompato fuori dalla camera del forno.
  • Il contenuto di ossigeno sulle parti può essere controllato sfruttando le capacità riducenti dei gas di processo utilizzati e/o del vuoto stesso.
  • Il contenuto di carbonio delle parti lavorate può essere controllato.

Gas di processo per la sinterizzazione in vuoto dell’acciaio inossidabile

I gas utilizzati come atmosfera protettiva all'interno di un forno a vuoto sono più comunemente:

  • Azoto: è un gas inerte ed è il meno costoso tra i gas di processo, per questo motivo è ampiamente utilizzato per applicazioni di sinterizzazione.
  • Argon: è più costoso dell'azoto quindi viene scelto come gas principalmente inerte quando il materiale lavorato è sensibile all'azoto.
  • Idrogeno: è il più costoso tra i gas elencati e ha implicazioni di sicurezza sia per il forno che per il luogo di installazione del forno stesso. Tuttavia, l'idrogeno è un agente estremamente riducente.

Se ci concentriamo sulla sinterizzazione degli acciai inossidabili, tutte le atmosfere sopra menzionate sono scelte valide.

Approfondiamo brevemente l'argomento, evidenziando i pro e i contro dei 3 gas di processo.

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Azoto

L'azoto è solubile nella matrice dell'acciaio e agisce come una soluzione solida rafforzando gli acciai inossidabili austenitici.

L'azoto può formare nitruri ad un’alta temperatura.
Concentrandosi sull'acciaio inossidabile, la precipitazione dei nitruri di cromo può influenzare la resistenza alla corrosione del componente formando regioni sensibilizzate che agiscono come iniziatore di corrosione.

Per questa ragione, spesso si adottano velocità di raffreddamento elevate dopo la sinterizzazione in azoto per minimizzare i fenomeni.

Per alcuni acciai inossidabili, la nitrurazione durante il processo di sinterizzazione è un requisito per ottenere le proprietà e la microstruttura desiderate. È il caso, ad esempio, dell'acciaio inossidabile nichel free X15CrMnMoN17-11-3 (Catamold ® PANACEA), che solitamente viene sinterizzato utilizzando un'elevata pressione parziale di azoto di circa 700 mbar.

Argon

Di solito, l’Argon puro non è ottimale per la lavorazione dell'acciaio inossidabile. Infatti, l'Argon non è solubile nella matrice di acciaio e può generare porosità a causa del gas intrappolato all'interno del pezzo.

Idrogeno

L'idrogeno è ampiamente utilizzato per la sinterizzazione dell'acciaio inossidabile, grazie alla sua capacità di ridurre gli ossidi, contribuendo così ad ottenere parti pulite.

L'idrogeno svolge anche un ruolo importante nel controllo del carbonio delle parti, rimuovendo il carbonio residuo lasciato dal legante al termine della combustione del legante stesso (poiché i leganti tipicamente utilizzati nella metallurgia delle polveri sono a base di carbonio).
L'idrogeno può essere utilizzato in forni a vuoto sia con pressione parziale (0,1 – 10 mbar) che con leggera sovrapressione (riempimento con circa 1,1 bar di idrogeno).

Tuttavia i forni da vuoto funzionanti con idrogeno richiedono misure di sicurezza aggiuntive.
Per questo vengono adottate specifiche soluzioni progettuali (come doppie guarnizioni su tutte le flange del forno) e un software sicuro.

Nonostante il maggiore grado di complessità delle apparecchiature e i maggiori costi di processo, i forni a vuoto funzionanti con sovrapressione di idrogeno offrono numerosi vantaggi:

  • L'ossigeno non può in nessun caso entrare nel forno poiché il forno è pressurizzato.
  • Ci sono più molecole di idrogeno reattive disponibili nel forno rispetto all'atmosfera a pressione parziale, massimizzando così il potere riduttivo.

Miscele di idrogeno, una valida alternativa

In alcune circostanze, l'uso di miscele di gas inerti (azoto o argon) e idrogeno può essere un buon compromesso.
Infatti, esse conservano parte della capacità riducente specifica dell'atmosfera di idrogeno puro mentre allo stesso tempo abbassano i costi di esercizio e di investimento.

Inoltre, miscele di gas inerti a bassa percentuale di idrogeno (>5,5 mol% di idrogeno in azoto e >3 mol% di idrogeno in argon) possono essere utilizzate senza attuare le misure di sicurezza che sono richieste con la sovrapressione di idrogeno.

Le miscele a base di argon sono tipicamente preferite per evitare la precipitazione di nitruri di cromo durante il raffreddamento quando non è possibile raggiungere velocità di raffreddamento elevate, mentre per tutti gli altri casi si utilizzano miscele a base di Azoto.

Conclusioni

Tutte le alternative di gas discusse in questo articolo sono scelte praticabili per la sinterizzazione delle parti in acciaio inossidabile, tuttavia un'analisi approfondita è fondamentale per ottenere le proprietà desiderate.

La scelta della giusta atmosfera di sinterizzazione per il tuo processo può aiutarti a ottenere il miglior compromesso tra risultati e costi operativi.

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