Tradizionalmente, l’acciaio inossidabile viene generalmente prodotto mediante tecnologie di fusione o forgiatura, ma i componenti in acciaio inossidabile prodotti per fusione sono difficili da lavorare per asportazione di truciolo e presentano una scarsa precisione dimensionale, superfici ruvide, determinate limitazioni nella forma, una facile segregazione degli elementi, cavità da ritiro, inclusioni di sabbia e altri difetti. Anche l’acciaio inossidabile prodotto mediante forgiatura presenta problemi quali scarsa plasticità, difficoltà di deformazione, basso utilizzo del materiale ed elevati costi. Di conseguenza, la fabbricazione di componenti meccanici presenta numerose difficoltà tecniche.
A partire dagli anni ’70, il rapido sviluppo del metodo di atomizzazione per la produzione di polveri prelegate ha reso possibile la preparazione di acciai inossidabili per metallurgia delle polveri ad alte prestazioni [3]. Gli acciai inossidabili per metallurgia delle polveri presentano buone proprietà meccaniche, fisiche e chimiche. Rispetto agli acciai inossidabili prodotti mediante le tradizionali tecnologie di fusione e forgiatura, offrono grandi vantaggi nella produzione e nell’applicazione grazie alla bassa temperatura di sinterizzazione, alla forma quasi netta, all’elevata precisione dimensionale, all’alto tasso di utilizzo del materiale e alla struttura organizzativa uniforme e di buona qualità. Sono ampiamente utilizzati nei settori della meccanica, dell’industria chimica, della cantieristica navale, dell’automobile, della strumentazione e in altri comparti.
Tuttavia, la polvere di acciaio inossidabile è una polvere prelegata ad alto contenuto di elementi di lega, caratterizzata da elevata durezza e scarsa comprimibilità. Pertanto, l’acciaio inossidabile prodotto mediante i tradizionali processi di formatura presenta pori interni e una densità spesso bassa. La sua resistenza alla corrosione e le sue proprietà meccaniche sono generalmente inferiori a quelle del corrispondente acciaio inossidabile denso, limitando notevolmente l’applicazione degli acciai inossidabili per metallurgia delle polveri. Gli studi hanno dimostrato che la densità dell’acciaio inossidabile per metallurgia delle polveri influisce notevolmente sulla resistenza alla corrosione e sulle proprietà meccaniche. Quasi tutte le proprietà dell’acciaio inossidabile migliorano all’aumentare della densità. Pertanto, la preparazione a basso costo di acciai inossidabili per metallurgia delle polveri ad alta densità, con buone proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione, è sempre stata una delle principali problematiche affrontate dagli esperti di metallurgia delle polveri.
Il processo di base per la preparazione dell’acciaio inossidabile mediante metallurgia delle polveri è: polvere di partenza → miscelazione → formatura → sinterizzazione → post-trattamento → prodotti in acciaio inossidabile. Tra queste fasi, la formatura e la sinterizzazione sono le due più importanti nel processo di preparazione dell’acciaio inossidabile basato sulla tecnologia della metallurgia delle polveri. Sono illustrate di seguito.
1.3.1 Formatura della polvere di acciaio inossidabile
La formatura è il processo di compattazione della polvere in un blocco di forma, dimensioni, porosità e resistenza prestabilite all’interno di uno stampo in acciaio. L’acciaio inossidabile appartiene agli acciai altolegati. Le sue particelle di polvere sono dure e poco comprimibili. Pertanto, durante la formatura è necessaria una pressione più elevata. La pressione di compattazione è generalmente intorno a 500~800MPa. Durante la pressatura del campione, per migliorare il comportamento alla compattazione, alla polvere prelegata di acciaio inossidabile vengono spesso aggiunti lubrificanti. La loro funzione principale è ridurre l’attrito tra le polveri e tra le polveri e la parete dello stampo durante la pressatura, ridurre la pressione di estrazione e aumentare la densità del compatto pressato. I lubrificanti comunemente utilizzati comprendono acido stearico, stearato di zinco, stearato di litio e paraffina. La formatura per compressione a temperatura ambiente richiede presse e stampi altamente performanti a causa dell’elevata pressione di compattazione. I prodotti sinterizzati presentano un marcato ritorno elastico e una bassa densità e consentono di produrre soltanto componenti di forma semplice. Per soddisfare i requisiti più elevati di densità e proprietà meccaniche dei materiali per metallurgia delle polveri nelle applicazioni industriali, sono stati sviluppati diversi processi di formatura ad alta densificazione, come la compattazione a caldo, lo stampaggio a iniezione dei metalli e lo stampaggio a iniezione con gel. Questi processi possono migliorare significativamente la densità dell’acciaio inossidabile e incrementarne notevolmente le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione, favorendo così lo sviluppo della tecnologia di formatura delle polveri di acciaio inossidabile. Sono illustrati di seguito.
(1) Compattazione a caldo La compattazione a caldo consiste nel miscelare la polvere con un lubrificante speciale, riscaldarli fino a una determinata temperatura e quindi pressarli in uno stampo riscaldato. Questo processo è molto apprezzato perché consente di produrre componenti per metallurgia delle polveri ad alta densità e con buone prestazioni. Rispetto alla compattazione a freddo, quella a caldo consente di ottenere una maggiore densità e resistenza del compatto con una pressione di compattazione inferiore, con incrementi rispettivamente di 0.15~0.3g/cm3 e 50~100%, e può ridurre il ritorno elastico. Gli studi hanno dimostrato che il processo di pressatura a caldo può aumentare la densità del compatto perché, innanzitutto, riduce il tasso di incrudimento della polvere, migliorandone la deformazione plastica e aumentando così la densità del compatto; inoltre, grazie all’azione del lubrificante, quando il suo punto di fusione è elevato, esso si trova allo stato semisolido alla temperatura di pressatura a caldo e la sua componente liquida fluisce dai bordi delle particelle verso i pori, aumentando così il contatto tra le particelle; quando invece il punto di fusione del lubrificante è basso, questo fonde completamente e fuoriesce dal compatto, lubrificando la parete dello stampo e riducendo così la pressione di estrazione.
Nel processo di pressatura a caldo della polvere di acciaio inossidabile 420, quando la temperatura della polvere è di 90°C e quella dello stampo è di 120°C, con una pressione di compattazione di 784MPa, la densità del compatto aumenta di 0.2g/cm3 rispetto alla pressatura a freddo. Ke Yuanyuan et al. hanno utilizzato il processo di pressatura a caldo per compattare la polvere di acciaio inossidabile 316L con una pressione di 700 MPa e una temperatura di 110°C. Rispetto alla pressatura a freddo, la densità del compatto è aumentata di 0.19 g/cm3. Dopo la sinterizzazione sotto vuoto a 1150°C, anche la densità del corpo sinterizzato è aumentata di 0.19 g/cm3. La resistenza a trazione del compatto e del corpo sinterizzato è aumentata rispettivamente del 50% e di 34 MPa. Tuttavia, a causa dell’elevata densità dei componenti in acciaio inossidabile formati mediante pressatura a caldo, il polimero contenuto nei pori chiusi può avere difficoltà a volatilizzarsi dopo la decomposizione, causando difetti durante la presinterizzazione. Pertanto, la rimozione del polimero durante la presinterizzazione è un aspetto fondamentale della pressatura a caldo.
(2) Stampaggio a iniezione dei metalli (MIM) Lo stampaggio a iniezione dei metalli (MIM) è una tecnologia di metallurgia delle polveri prossima alla formatura a forma netta. Consiste nel miscelare polvere metallica o polvere prelegata con un legante organico in una determinata proporzione e in specifiche condizioni di processo, formando un corpo viscoelastico uniforme che viene quindi stampato a iniezione mediante una macchina per stampaggio a iniezione; successivamente il legante viene rimosso e il prodotto viene infine sinterizzato per ottenere un prodotto di metallurgia delle polveri ad alte prestazioni. È adatto alla produzione di componenti di forma complessa e la precisione dimensionale dei componenti in acciaio inossidabile prodotti con questo metodo può raggiungere ±0.3%~0.5%. Allo stesso tempo, consente di superare gli svantaggi della bassa densità e delle scarse proprietà meccaniche dei prodotti convenzionali formati e sinterizzati. La densità dopo la sinterizzazione può raggiungere il 95%~99.5% della densità teorica, la resistenza a trazione può superare 500MPa e l’allungamento può superare il 45%.
Lo stampaggio a iniezione dei metalli richiede che la polvere di materia prima presenti determinate caratteristiche in termini di granulometria, forma delle particelle, scorrevolezza e densità apparente. La polvere di partenza viene generalmente preparata mediante atomizzazione ad acqua o a gas. Tra le due, la polvere atomizzata ad acqua presenta una migliore formabilità, mentre quella atomizzata a gas ha migliori proprietà di sinterizzazione ed è più fine. Pertanto, alla polvere atomizzata ad acqua viene spesso aggiunta una certa quantità di polvere atomizzata a gas, che riempie gli spazi tra le particelle della polvere atomizzata ad acqua, migliorando la densità del compatto pressato e del corpo sinterizzato. I principali leganti per lo stampaggio a iniezione dei metalli sono leganti a base di paraffina, a base oleosa e a base polimerica. Lo sgrassaggio dell’acciaio inossidabile comprende principalmente lo sgrassaggio termico, con solvente, a sifone e catalitico; tra questi, il metodo più utilizzato è lo sgrassaggio termico. Dopo lo stampaggio a iniezione, se lo sgrassaggio non viene eseguito completamente, nel prodotto possono facilmente formarsi difetti quali bolle e cricche, oltre a rimanere impurità come ossidi, carbonio e carburi, che ne compromettono il comportamento alla sinterizzazione. Generalmente, prima di 200°C, un riscaldamento lento a una velocità inferiore a 1°C/min consente di rimuovere alcuni componenti a basso peso molecolare, come la paraffina. Dopo aver rimosso il 30%~40% del legante, si porta rapidamente la temperatura a 400~500°C a una velocità di 5°C/min e la si mantiene costante; in questo modo è possibile decomporre i componenti polimerici del legante, ottenendone la completa rimozione. La sinterizzazione è l’ultima fase dello stampaggio a iniezione dei metalli dell’acciaio inossidabile. Essa avviene a una temperatura superiore rispetto a quella dei prodotti tradizionali di metallurgia delle polveri, il che favorisce anche l’aumento della densità del corpo sinterizzato. Sung et al. hanno miscelato polvere di acciaio inossidabile 17-4PH e legante in un miscelatore planetario per 1 ora, in un rapporto di 60:40, quindi hanno eseguito lo stampaggio a iniezione con una pressione di 300kg/cm2. Dopo lo sgrassaggio termico, i componenti sono stati sinterizzati in atmosfera di idrogeno. Aumentando la temperatura di sinterizzazione da 900°C a 1350°C, la densità relativa del campione è aumentata dal 61% al 99% e la resistenza a trazione ha continuato ad aumentare con la sferoidizzazione, il ritiro e la scomparsa dei pori nel corpo sinterizzato. Tuttavia, a causa dell’elevato contenuto di lubrificante nel processo di stampaggio a iniezione dei metalli, è necessario uno speciale processo di sgrassaggio, che aumenta notevolmente i costi.
(3) Colaggio in gel
I prodotti in acciaio inossidabile preparati mediante formatura tradizionale per compressione presentano proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e aspetto scadenti a causa dell’elevata porosità e sono limitati alla produzione di componenti di forma semplice. Sebbene lo stampaggio a iniezione dei metalli consenta di ottenere componenti in acciaio inossidabile a forma netta, è difficile utilizzarlo per preparare componenti di grandi dimensioni e forma complessa. Il colaggio in gel è un’altra tecnologia di formatura quasi a dimensione netta, sviluppata dopo il colaggio a barbottina e lo stampaggio a iniezione. Utilizza monomeri chimici polimerici per formare materiali in polvere mediante polimerizzazione. In altre parole, dopo aver preparato una sospensione concentrata a bassa viscosità e ad alto contenuto solido, è possibile preparare diversi componenti di forma complessa, ottenendo così un compatto verde ad alta resistenza e uniforme.
Utilizzando la tecnologia del colaggio in gel e operando nelle condizioni di processo ottimali, il compatto verde di acciaio inossidabile ottenuto presenta prestazioni eccellenti e una struttura uniforme. La resistenza a flessione del compatto verde può raggiungere 38MPa, la densità relativa del corpo sinterizzato può raggiungere il 95% e il carico di snervamento può raggiungere 160MPa. È inoltre possibile formare un compatto verde di acciaio inossidabile di grandi dimensioni e forma complessa. Utilizzando la tecnologia del colaggio in gel, l’agar naturale e l’acido poliacrilico vengono impiegati rispettivamente come gelificante e disperdente. Nelle condizioni di processo ottimali, la barbottina formata può essere sinterizzata per preparare prodotti in acciaio inossidabile 316L di forma complessa e il carico di snervamento del corpo sinterizzato può raggiungere 138MPa. Tuttavia, nella preparazione della polvere metallica di acciaio inossidabile, a causa del grande diametro e della densità delle particelle, queste tendono a precipitare nella sospensione, provocando la coagulazione della barbottina e un flusso dilatante, rendendo difficile la preparazione di una sospensione ad alta concentrazione. Inoltre, dopo la gelificazione della barbottina in un grezzo, possono verificarsi problemi quali imbarcamento, deformazione, carico e scarico e trasporto.
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