Dal 17 al 19 aprile 2024, TAV VACUUM FURNACES ha partecipato come relatore alla 4° MCHTSE, Mediterranean Conference on Heat Treatment and Surface Engineering, tenutasi a Lecce.

Il nostro intervento si è concentrato sugli aspetti energetici del trattamento termico a vuoto, un tema verso il quale tutti noi del settore dobbiamo prestare attenzione per ridurre le emissioni di carbonio, puntando a un futuro a zero emissioni nette.

Abbiamo già analizzato il ruolo essenziale che i forni a vuoto svolgeranno in questa transizione, con particolare attenzione all'ottimizzazione dei consumi energetici, in un nostro precedente articolo; con questa nuova presentazione, invece, abbiamo voluto sottolineare come la scelta della giusta configurazione del forno a vuoto per un determinato processo possa avere un impatto sull'energia necessaria per eseguire tale processo. A tal fine, abbiamo confrontato due diversi design di forno, ovvero forni a vuoto a camera singola e forni a vuoto a doppia camera, dettagliando tutti i componenti di consumo energetico.

Come anteprima della nostra presentazione, riassumeremo qui di seguito come le caratteristiche principali del design dei due forni a vuoto influiscono sulle loro prestazioni energetiche.

Iniziamo introducendo il protagonista del nostro confronto: un forno a vuoto a camera singola isolato in grafite, modello TAV H4, e un forno doppia camera TAV DC4, entrambi con volume utile di 400-400-600 mm.

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Nella prima parte dell'articolo abbiamo parlato delle polveri e delle classificazioni adottate per il carburo cementato, nonché dell'importanza di utilizzare un corretto ciclo di deceratura.

In questa seconda parte approfondiremo il processo di sinterizzazione, discutendo la differenza tra sinterizzazione in vuoto e “sinter-HIP” per il carburo cementato e le relative attrezzature impiegate.

Sinterizzazione

I forni in vuoto possono essere progettati per eseguire sia la deceratura termica che la sinterizzazione nello stesso impianto. In questo caso, i forni sono dotati di un sistema di intrappolamento della cera e di un box con ugelli calibrati per una distribuzione omogenea del flusso di gas. La distribuzione del flusso di gas è fondamentale per rimuovere efficacemente i vapori di cera dai pezzi e garantire un'uniformità di temperatura ottimale.

TAV VACUUM FURNACES HM Series - Sinter-HIP, equipaggiato per operare in sovrapressione di idrogeno.
È possibile notare il bruciatore elettrico per l’idrogeno in cima al forno.

Tuttavia, a volte si utilizzano forni da deceratura separati per migliorare la produttività e la pulizia del forno da sinterizzazione. In questo caso, anche se la deceratura viene generalmente completata a temperature inferiori a 500°C, i pezzi vengono riscaldati a temperature più elevate, prossime ai 1000°C, come fase di pre-sinterizzazione, per garantire una resistenza meccanica sufficiente tale da trasferire i pezzi al forno di sinterizzazione.

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Carburo, carburo di tungsteno, metallo duro, carburo cementato e molti altri marchi registrati sono spesso utilizzati indifferentemente per indicare un materiale molto diffuso per la produzione di utensili. 

Per essere precisi, questi termini non sono esattamente intercambiabili.

Il metallo duro, o carburo cementato, si riferisce a una classe di materiali costituiti da particelle di carburo disperse all'interno di una matrice metallica. Nella maggior parte dei casi, il carburo scelto è il carburo di tungsteno, ma possono essere aggiunti altri elementi formanti carburi, come il tantalio (sotto forma di TaC) o il titanio (sotto forma di TiC). 
La matrice metallica, spesso definita "binder" (da non confondere con la cera e i polimeri tipicamente utilizzati nella metallurgia delle polveri), è solitamente costituita da cobalto, ma vengono utilizzati anche nichel e cromo. Questa matrice agisce come un "cemento", tenendo insieme le particelle di carburo (da qui la definizione "carburo cementato").
Per formare il metallo duro, le polveri di carburo vengono macinate con il legante metallico per ottenere una polvere che viene consolidata mediante pressatura, estrusione o stampaggio a iniezione di metallo (“Metal Injection Molding”, MIM), seguito da sinterizzazione.
In questo senso, il carburo cementato non è un metallo ma, più propriamente, un materiale composito.

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Nella prima parte dell'articolo, abbiamo discusso come diversi design influenzino l'efficienza dei forni a vuoto in relazione al loro consumo energetico nella fase di riscaldo.
Sebbene l'energia utilizzata per il riscaldo rappresenti indubbiamente la porzione principale del consumo energetico durante i trattamenti termici sottovuoto, nei forni a vuoto (o nello stabilimento che li ospita) possono essere presenti diversi sistemi ausiliari; basti pensare al sistema di raffreddamento dell’acqua, al sistema per la tempra in gas e, chiaramente, alle pompe per vuoto.

Questi sistemi ausiliari sono essenziali per garantire il corretto funzionamento di un forno a vuoto, ma possono generare complessivamente una fonte di consumo energetico significativa, soprattutto quando è richiesto un funzionamento continuo dell’impianto.

Pompe per vuoto

Le pompe per vuoto sono i componenti che consentono ad un forno sigillato ed a tenuta stagna di raggiungere il livello di vuoto desiderato prima di iniziare il trattamento termico.

Nella configurazione più tipica, i gruppi di pompaggio per il funzionamento a basso e medio vuoto (tra 1*10^-3mbar ed alcuni millibar) consistono in una pompa meccanica, che può essere a tenuta d'olio o a secco, accoppiata ad una roots pump per ridurre il tempo di evacuazione.

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