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LA METALLURGIA DELLE POLVERI

Dalla tesi di laurea premiata dall’European Powder Metallurgy Association al progetto di dottorato

30 novembre 2018
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di Silvia Baselli
Laureata in Ingegneria dei materiali, indirizzo Biomateriali e tecnologie biomediche, sta svolgendo il dottorato di ricerca in Materiali, meccatronica e ingegneria dei sistemi dell'Università di Trento.

Il punto di partenza del mio progetto di dottorato nel campo delle metallurgia delle polveri è stato proprio la tesi di laurea magistrale, lavoro grazie al quale ho vinto la Thesis Competition dell’European Powder Metallurgy Association (EPMA). In continuità con quel lavoro oggi mi sto dedicando, con la supervisione dei professori Molinari e Cristofolini, ai meccanismi dell’anisotropia del ritiro in sinterizzazione, in metallurgia delle polveri.
Per capire meglio di cosa mi occupo, ecco qualche informazione sulla metallurgia delle polveri.  Per metallurgia delle polveri (PM) si intende una famiglia piuttosto ampia di tecnologie che consentono di produrre in modo affidabile componenti ferrosi e non ferrosi, difficilmente producibili altrimenti. Ci sono materiali infatti che non possono essere prodotti in altro modo, quali il metallo duro, i magneti e particolari strutture porose.

La metallurgia delle polveri offre anche numerosi vantaggi sia dal punto di vista delle proprietà che della geometria dei pezzi. Tramite specifici processi produttivi PM infatti, si possono ottenere proprietà non raggiungibili o che andrebbero perse applicando i processi produttivi convenzionali e oltre a ciò si possono generare forme net shape che non possono essere prodotte con altri metodi.

Confrontando la PM con altre tecniche produttive, essa risulta quella con il maggior tasso di utilizzo della materia prima (lo scarto è inferiore al 5%) e il minor consumo di energia per kg di pezzi prodotti.

Le ragioni principali per scegliere un componente prodotto con la metallurgia delle polveri sono di natura economica - si risparmia rispetto a processi alternativi - ma sono anche legate all’ottenimento di proprietà o forme uniche. Per dare un’idea delle dimensioni commerciali della metallurgia delle polveri, il solo mercato europeo ha un fatturato di oltre 10 miliardi di euro, con una produzione annua mondiale di polveri metalliche che supera il milione di tonnellate. I più importanti settori di impiego di componenti PM sono quello automotive (da solo consuma circa l'80% della produzione di parti strutturali), l’aerospaziale e il medicale.

Tra i numerosi processi, il Press and Sinter è quello con il quale vengono prodotti l’ 87% (in termini di peso) dei componenti PM in Europa, ma sono noti anche il Metal Injection Molding (MIM) e le più recenti tecnologie di Additive Manufacturing. Il processo Press and Sinter prevede diverse fasi: la miscela viene preparata partendo da polveri di elementi o di leghe e pressata in uno stampo al fine di ottenere il “verde” che viene successivamente sinterizzato in atmosfera controllata per evitare contaminazioni del materiale. La sinterizzazione è un trattamento termico che viene effettuato a una temperatura inferiore a quella di fusione del costituente principale ed è finalizzato alla formazione di legami metallici tra le particelle di polvere. Durante il trattamento termico, il verde, prodotto per pressatura uniassiale a freddo, subisce delle variazioni dimensionali che dipendono dal materiale, dalla densità al verde, dalla strategia di pressatura e da alcuni parametri di processo tra i quali la temperatura e il tempo di sinterizzazione, l’atmosfera e le velocità di riscaldamento e raffreddamento. Queste variazioni dimensionali sono anisotrope, ovvero il ritiro nella direzione di pressatura (longitudinale) è diverso dal ritiro nel piano di pressatura (trasversale), e tale comportamento è influenzato anche dalla geometria e dalle dimensioni dei pezzi, per cui il controllo delle variazioni dimensionali è di cruciale importanza.

Ecco dunque il contesto nel quale si inserisce il mio lavoro: partendo dall’approccio teorico della metallurgia fisica, che concentra la propria attenzione sui fenomeni che avvengono in prossimità del “collo” che si forma tra le particelle di polvere, l’obiettivo è quello di sviluppare e verificare sperimentalmente un modello che consenta di prevedere i ritiri, tenendo conto della reale microstruttura dei verdi.