Metodo di preparazione della polvere metallica

La metallurgia delle polveri è un processo che consiste nella preparazione di polveri metalliche e nell'utilizzo di polveri metalliche (o di miscele di metallo e non metallo) come materie prime per ottenere componenti e prodotti mediante formatura e sinterizzazione. In quanto principale materia prima dell'industria, la polvere metallica è ampiamente utilizzata nei settori della meccanica, della metallurgia, dell'industria chimica e dei materiali aerospaziali. La polvere metallica è la materia prima di base dell'industria della metallurgia delle polveri e la sua produzione e qualità determinano lo sviluppo di tale industria.

La polvere metallica è generalmente un insieme di particelle metalliche di dimensioni inferiori a 1 mm. Non esiste una classificazione uniforme degli intervalli dimensionali delle particelle. Il metodo di classificazione comunemente utilizzato è il seguente: le particelle da 1000 a 50 µm sono considerate polveri convenzionali; quelle da 50 a 10 µm sono chiamate polveri fini; quelle da 10 a 0,5 µm sono chiamate polveri ultrafini; quelle <0,5 µm sono chiamate polveri ultrafini; quelle da 0,1 a 100 nm sono chiamate polveri nanometriche. Ogni particella di polvere può essere un cristallo oppure essere costituita da numerosi cristalli, a seconda delle dimensioni delle particelle e del metodo di preparazione.

Metodi di preparazione delle polveri metalliche Attualmente esistono decine di metodi per la produzione industriale delle polveri, ma, analizzando effettivamente il processo produttivo, questi si dividono principalmente in due categorie: metodi meccanici e fisici e metodi fisico-chimici. Le polveri possono essere ottenute dalla raffinazione diretta di metalli solidi, liquidi e gassosi, oppure da composti metallici in diversi stati mediante riduzione, pirolisi ed elettrolisi. I carburi, nitruri, boruri e siliciuri dei metalli refrattari possono generalmente essere preparati direttamente mediante metodi di combinazione chimica o di riduzione-combinazione. A causa dei diversi metodi di preparazione, la forma, la struttura e le dimensioni delle particelle della stessa polvere possono variare notevolmente.

Metodo meccanico e fisico

Metodo della macinazione a sfere

Meccanismo: il metodo della macinazione a sfere si divide principalmente nel metodo a sfere rotolanti e nel metodo della macinazione a sfere vibranti. Questo metodo sfrutta il meccanismo per cui le particelle metalliche si deformano e si rompono, raffinando, a diversi tassi di deformazione.

Applicazione: questo metodo è principalmente adatto alla preparazione di polveri come Sb, Cr, Mn, leghe Fe-Cr, ecc.

Vantaggi e svantaggi: i vantaggi sono il funzionamento continuo, l'elevata efficienza produttiva, l'idoneità alla macinazione a secco e a umido e la possibilità di preparare polveri di diversi metalli e leghe. Lo svantaggio è la scarsa selettività dei materiali e la difficoltà di classificazione durante il processo di preparazione della polvere.

Metodo di macinazione

Meccanismo: nel metodo di macinazione, il gas compresso viene spruzzato nell'area di macinazione attraverso un ugello speciale, facendo collidere tra loro i materiali presenti nell'area e trasformandoli in polvere per sfregamento; il flusso d'aria si espande e sale insieme al materiale verso l'area di classificazione, dove il classificatore a turbina seleziona il materiale che ha raggiunto la dimensione delle particelle desiderata, mentre la polvere grossolana rimanente ritorna nell'area di macinazione per un'ulteriore macinazione, fino a separare la dimensione richiesta.

Applicazione: è ampiamente utilizzato nella macinazione ultrafine nei settori dei materiali non metallici, delle materie prime chimiche, dei pigmenti, degli abrasivi, dei prodotti farmaceutici e di altri settori.

Vantaggi e svantaggi: poiché il metodo di macinazione adotta una produzione a secco, evita la disidratazione e l'essiccazione dei materiali; i suoi prodotti presentano elevata purezza, alta attività, buona disperdibilità, granulometria fine e distribuzione ristretta, nonché una superficie liscia delle particelle. Tuttavia, il metodo di macinazione presenta anche lo svantaggio degli elevati costi di produzione delle apparecchiature. Nel processo di produzione della polvere metallica è necessario utilizzare continuamente gas inerte o azoto come fonte di gas compresso; il consumo di gas è elevato e il metodo è adatto solo alla frantumazione e polverizzazione di metalli e leghe fragili.

Metodo di atomizzazione

Meccanismo: il metodo di atomizzazione utilizza generalmente gas ad alta pressione, liquido ad alta pressione o lame rotanti ad alta velocità per rompere il metallo o la lega fusi ad alta temperatura e alta pressione in goccioline fini, che successivamente condensano nel collettore, ottenendo polvere metallica ultrafine. Questo processo non provoca trasformazioni chimiche. Il metodo di atomizzazione è uno dei principali metodi per la produzione di polveri metalliche e di leghe. Esistono molti metodi di atomizzazione, come l'atomizzazione a doppio flusso, l'atomizzazione centrifuga, l'atomizzazione multistadio, la tecnologia di atomizzazione a ultrasuoni, la tecnologia di atomizzazione ad accoppiamento stretto, l'atomizzazione con gas ad alta pressione, l'atomizzazione laminare, l'atomizzazione a ultrasuoni ad accoppiamento stretto e l'atomizzazione con gas caldo.

Applicazione: il metodo di atomizzazione viene generalmente utilizzato nella produzione di polveri metalliche come Fe, Sn, Zn, Pb e Cu e può essere utilizzato anche per produrre polveri di leghe come bronzo, ottone, acciaio al carbonio e acciaio legato. Il metodo di atomizzazione soddisfa i requisiti speciali delle polveri metalliche destinate ai materiali di consumo per la stampa 3D 

Vantaggi e svantaggi: la polvere atomizzata offre i vantaggi di un'elevata sfericità, di una granulometria controllabile, di un basso contenuto di ossigeno, di bassi costi di produzione e dell'adattabilità alla produzione di diversi tipi di polveri metalliche. È diventata la principale direzione di sviluppo della tecnologia di preparazione di polveri di leghe speciali e ad alte prestazioni, ma il metodo di atomizzazione presenta gli svantaggi di una bassa efficienza produttiva, di una bassa resa di polvere ultrafine e di un consumo energetico relativamente elevato.

Metodo fisico-chimico

Metodo di riduzione

Meccanismo: il metodo di riduzione consiste nel ridurre ossidi o sali metallici in determinate condizioni per produrre polveri metalliche o di leghe. È uno dei metodi di produzione delle polveri più utilizzati nell'industria. Gli agenti riducenti comunemente impiegati includono agenti riducenti gassosi (come idrogeno, ammoniaca decomposta, gas naturale convertito, ecc.), agenti riducenti solidi a base di carbonio (come carbone di legna, coke, antracite, ecc.) e agenti riducenti metallici (come calcio, magnesio, sodio, ecc.). Il metodo di preparazione più rappresentativo è il metodo di idrogenazione-deidrogenazione, che utilizza l'idrogeno come mezzo di reazione. Sfrutta la facilità di idrogenazione del metallo grezzo per far reagire il metallo con l'idrogeno a una determinata temperatura, generando idruro metallico; l'idruro metallico ottenuto viene quindi frantumato meccanicamente fino a raggiungere la granulometria desiderata e, infine, l'idrogeno viene rimosso dalla polvere di idruro metallico frantumato in condizioni di vuoto, ottenendo la polvere metallica.

Applicazione: utilizzato principalmente nella preparazione di polveri metalliche e di leghe come Ti, Fe, W, Mo, Nb, W-Re, ecc. Ad esempio, il titanio metallico (in polvere) inizia a reagire violentemente con l'idrogeno a una determinata temperatura. Quando il contenuto di idrogeno è superiore al 2,3%, l'idruro diventa friabile e può essere facilmente frantumato in particelle fini di idruro di titanio. L'idruro di titanio si decompone a una temperatura di circa 700°C e la maggior parte dell'idrogeno disciolto nella polvere di titanio viene rimossa, ottenendo polvere di titanio.

Vantaggi e svantaggi: i vantaggi sono la semplicità d'uso, il facile controllo dei parametri di processo, l'elevata efficienza produttiva, i bassi costi e l'idoneità alla produzione industriale; lo svantaggio è che è adatto solo a materiali metallici che reagiscono facilmente con l'idrogeno e che diventano fragili e facili da rompere dopo averlo assorbito.

Metodo di elettrolisi

Meccanismo: il metodo di elettrolisi consiste nel depositare polveri metalliche sul catodo mediante l'elettrolisi di sale fuso o di una soluzione acquosa salina.

Applicazione: l'elettrolisi di soluzioni acquose può produrre polveri metalliche o di leghe come Cu, Ni, Fe, Ag, Sn e Fe-Ni, mentre l'elettrolisi di sali fusi può produrre polveri metalliche come Zr, Ta, Ti e Nb.

Vantaggi e svantaggi: il vantaggio è l'elevata purezza della polvere metallica preparata; la purezza delle polveri di sostanze semplici generalmente può superare il 99,7%. Inoltre, il metodo di elettrolisi consente di controllare efficacemente la granulometria della polvere e di produrre polveri ultrafini. Tuttavia, il metodo di elettrolisi consuma molta energia elettrica e comporta costi elevati di produzione della polvere.

Metodo degli idrossili

Meccanismo: alcuni metalli (ferro, nichel, ecc.) vengono sintetizzati con monossido di carbonio per formare composti carbonilici metallici, che vengono successivamente decomposti termicamente in polveri metalliche e monossido di carbonio.

Applicazione: viene utilizzato principalmente nell'industria per produrre polveri fini e ultrafini di nichel e ferro, nonché polveri di leghe come Fe-Ni, Fe-Co e Ni-Co.

Vantaggi e svantaggi: la polvere ottenuta in questo modo è molto fine e di elevata purezza, ma il costo è alto.

Metodo di sostituzione chimica

Meccanismo: il metodo di sostituzione chimica consiste nel sostituire, dalla soluzione di sale metallico, il metallo meno attivo con un metallo più attivo in base all'attività dei metalli, raffinando ulteriormente con altri metodi il metallo (polvere metallica) ottenuto dalla sostituzione.

Applicazione: questo metodo viene utilizzato principalmente per la preparazione di polveri di metalli poco attivi come Cu, Ag e Au.