La metallurgia delle polveri metalliche racchiude una varietà di processi per la produzione di componenti metallici i quali creano come prima cosa, un impaccamento di dimensioni stabili e la sua successiva sinterizzazione.
I processi principali includono:

• Pressatura e sinterizzazione
• Metal Injection Moulding (MIM)
• Pressatura isostatica a caldo/freddo
• Produzione Additiva (Additive Manufacturing)

I processi tradizionali coinvolgendo le polveri metalliche come la pressatura e sinterizzazione sono usati dal 1920 per produrre componenti metallici, mentre processi come la pressatura isostatica a caldo (HIP) e il Metal Injection Moulding (MIM), lo sono stati rispettivamente, a partire dagli anni ’60 e’70. La Produzione Additiva è una tecnica relativamente nuova che consente la fusione selettiva delle polveri metalliche utilizzando un laser o un fascio di elettroni. Esistono molteplici ragioni per avvalersi dei processi di metallurgia a base di polveri metalliche invece di un processo tradizionale sottrattivo, come le lavorazioni per asportazione di truciolo, taglio e foratura.
Questi processi offrono una serie di vantaggi:

• Riduzione di costi
• Elevata precisione dimensionale
• Trattamento post processo minimo
• Buona riproducibilità tra un componente e all’altro
• Migliore libertà nelle dimensioni e nella complessità compositiva
• Riduzione degli sprechi

La produzione della polvere metallica

La scelta dell’iter di produzione della polvere dipende dal metallo o lega, dal processo di metallurgia e dalle proprietà della polvere richieste per tale processo.
Le proprietà chiave di una polvere metallica sono:

• Composizione chimica
• Distribuzione granulometrica delle particelle
• Forma delle particelle
• Struttura del materiale
• Superficie specifica

L’importanza relativa di ciascuna di queste proprietà dipende dallo specifico processo metallurgico al quale la polvere è destinata.

La pressatura e la sinterizzazione

La pressatura e la sinterizzazione (pressofusione) sono i più tradizionali metodi di produzione associati alla metallurgia delle polveri. Le caratteristiche della polvere, come l’impaccamento delle particelle e la densità apparente sono particolarmente critiche per la pressatura e la sinterizzazione, come per gli altri processi di metallurgia.
Una bassa densità apparente fornisce una migliore compattazione e saldatura a freddo delle particelle durante la pressatura, con un conseguente “green body” più forte. La frizione tra particelle è allo stesso modo importante e ne favorisce il contatto, la deformazione e l’addensamento della struttura durante la pressatura.

Produzione additiva (Additive Manufacturing)

Nei processi di fusione del letto di polvere (powder bed fusion) uno strato di polvere metallica viene applicato su un supporto e un laser o fascio di elettroni è utilizzato per sciogliere o fondere la polvere. Dopo la fusione, il supporto viene abbassato, un nuovo strato di polvere viene depositato e il processo ripetuto incessantemente finché la struttura sia completata. La polvere che non è stata fusa viene rimossa e riutilizzata oppure riciclata a seconda delle sue condizioni. L’efficienza dei processi della produzione additiva e la qualità dei componenti finali dipendono in buona parte dall’efficienza di scorrevolezza e dalla densità di impaccamento delle polveri. La dimensione delle particelle influenza direttamente queste proprietà ed è una specifica fondamentale per questo tipo di processo.

Metal Injection Molding (MIM)

Il feedstock (impasto costituito da polveri metalliche e leganti polimerici) viene iniettato in uno stampo allo scopo di ottenere la forma voluta e successivamente dopo un trattamento di separazione dei polimeri dal metallo (debinding), avviene la sinterizzazione in atmosfera controllata ad una temperatura inferiore a quella di fusione. Dopo la sinterizzazione la densità ottenuta garantirà equivalenti caratteristiche meccaniche di particolari microfusi in cera persa o stampati. Le proprietà reologiche del feedstock sono di grande importanza per l’applicazione della tecnica MIM. Influenzano l’omogeneità del feedstock fuso, come questo fluisce all’interno della cavità dello stampo e le proprietà meccaniche durante il raffreddamento. Le proprietà reologiche sono influenzate da una serie di fattori tra cui la composizione del legante e del solido, le dimensioni e la forma delle particelle, la temperatura e la portata. La maggior parte dei metalli possono essere utilizzati nel Metal Injection Molding(MIM) se le polveri possiedono le giuste proprietà, tra cui la dimensione e forma delle particelle.

Pressatura Isostatica

Durante un processo di pressatura isostatica, una pressione viene applicata uniformemente (usando gas o liquidi) ad un contenitore sigillato ermeticamente riempito di polvere metallica compattata. I vantaggi della pressatura isostatica rispetto alla pressatura e sinterizzazione sono l’omogenea compattazione in tutte le direzioni e una densità più uniforme nella componente finale.
La pressatura isostatica può essere realizzata ad alte temperature (Pressatura Isostatica a caldo) o a temperatura ambiente (Pressatura isostatica a freddo). Sebbene la pressatura isostatica a caldo sia un percorso diretto per la produzione di componenti metallici, può essere utilizzato anche per densificare parti provenienti da altri processi di metallurgia delle polveri.
Le polveri sferiche, con una distribuzione granulometrica relativamente ampia ma omogenea, sono preferibili per la pressatura isostatica a caldo poiché forniscono densità di riempimento più alte. Per la pressatura isostatica a freddo, l’irregolarità di alcune particelle può supportare l’incremento della saldatura a freddo, idealmente senza compromettere la scorrevolezza e l’impaccamento della polvere.

Le tecniche di controllo della polvere metallica

Distribuzione granulometrica con sforzi minimi

Il Mastersizer è il sistema d’analisi granulometrica più diffuso al mondo, viene utilizzato da diverse migliaia di aziende e istituti di ricerca, in una grande varietà di industrie. Grazie ad un campionatore dedicato è possibile analizzare la polvere metallica a secco, rendendo l’analisi veloce, facile ed accurata. Rispetto ai setacci, l’analisi granulometrica con diffrazione laser presenta numerosi vantaggi:

• Range di dimensioni esteso, includendo particelle piccole, ovvero da 10 nanometri a 3.5 millimetri
• Misura più rapida e più semplice
• Risoluzione più elevata

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Misura diretta della dimensione e della forma delle polveri metalliche

Il Morphologi 4 è un sistema avanzato per la caratterizzazione della forma e dimensione delle particelle delle polveri, con un campo di misura che va dai 0.5 micron a diversi millimetri. Con sistema di dispersione integrato ideale per le particelle di polveri metalliche, è uno strumento flessibile adatto sia alla ricerca che al controllo qualità o al troubleshooting. Il Morphologi 4 fornisce parametri di forma delle particelle avanzati come l’elongazione, la circolarità, la convessità per quantificare l’irregolarità della forma e la rugosità delle particelle. A differenza di un microscopio ottico, il Morphologi 4 fornisce dati statistici grazie all’analisi di decine di migliaia di particelle.

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Scorrevolezza e impaccamento delle polveri: capire e risolvere le problematiche

Il Reometro FT4 è un tester universale per polveri in grado di analizzare il comportamento della polvere quando sottoposta a reali condizioni di produzione o di stoccaggio. Associando metodi dinamici a metodiche bulk e di shear, consente di determinare le proprietà di scorrimento mimando le condizioni esterne alle quali la polvere è sottoposta.

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Immagini ad alta risoluzione < 14nm con un microscopio SEM alla portata di tutti

Con un Desktop SEM o SEM compatto come il Phenom XL non è mai stato così facile ottenere immagini ad altissima risoluzione, e questo in meno di 40 secondi. Il Phenom XL offre un software d’analisi unico, sviluppato per estrarre il massimo delle informazioni dalle immagini, attraverso un’interfaccia semplice ed intuitiva: con la suite Particlemetric è possibile caratterizzare in maniera automatica dimensione e forma di particelle nel range submicronico, correlando caratteristiche delle particelle come diametro, circolarità, proporzioni e convessità.
Di recente è stata inoltre introdotta sul mercato una nuova versione chiamata Phenom Particle X per Additive Manufacturing (AM), che consente di caratterizzare in automatico dimensione, forma e composizione chimica delle particelle delle polveri metalliche, sia per l’uso in controllo qualità sulle polveri acquistate o prodotte, anche per verificare la presenza di contaminanti, sia per poter valutare il riciclo delle polveri utilizzate.