Panoramica
Polveri metalliche con granulometria sufficientemente piccola (<45 μm), high powder loading in polymers, and high density after sintering can be used for metal injection molding, with powders having an average particle size of less than 22 μm being the most ideal. Numerous methods exist for powder preparation, but powders prepared by different methods possess different properties, which ultimately affect the density, size, and deformation of the injected parts. Because small particles are used to characterize powder properties, many characterization methods (such as sieving) are insufficient to accurately monitor and predict the results of the metal injection molding process. This chapter mainly introduces powders used in metal injection molding, different powder preparation methods, the properties of metal injection molding powders, and the influence of powder geometry or manufacturing methods on the metal injection molding process.
Diverse tecniche di preparazione per la polvere MIM
Esistono molti metodi per preparare le polveri per lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM), tra cui l'atomizzazione del gas, l'atomizzazione dell'acqua, la decomposizione termica e la riduzione chimica.
Quando è necessario aggiungere una piccola quantità di polvere a una lega o preparare determinate leghe specifiche in una miscela di polveri, vengono solitamente utilizzati altri metodi di preparazione della polvere, come la frantumazione/macinazione meccanica. La cementazione della polvere di tungsteno puro per produrre polvere di carburo di tungsteno- è un'eccezione. La Tabella 3.1 mostra i metodi di preparazione e le caratteristiche delle polveri MIM; altre tecniche di preparazione della polvere possono essere trovate altrove.
La classificazione della dimensione delle particelle e della distribuzione granulometrica delle polveri MIM è un passo importante nella preparazione delle polveri perché molte polveri MIM vengono prelevate da lotti di polvere con dimensioni delle particelle diverse; pertanto, è essenziale garantire la consistenza della polvere MIM tra i lotti.
Tabella 3.1 Metodi di preparazione e caratteristiche delle polveri MIM
| Metodo di preparazione | Costo relativo | Esempi di metalli o leghe | Dimensione delle particelle/μm | Forma delle particelle |
|---|---|---|---|---|
| Atomizzazione del gas | Alto | Acciaio inossidabile, superlega F75, MP35N, titanio, additivi madrelega | 5 ~ 45 | Sferico |
| Atomizzazione dell'acqua | Medio | Come l'atomizzazione a gas, ad eccezione del titanio e delle leghe di ferro | 5 ~ 45 | Forma ellittica, irregolare |
| Decomposizione termica | Medio | Ferro, Nichel | 0.2 ~ 20 | Sferico, a forma di ago- |
| Riduzione chimica | Alto/Medio | Tungsteno, molibdeno | 0.1 ~ 10 | Poligonale, sferico |
Atomizzazione del gas
L'atomizzazione del gas è un metodo per preparare la polvere fondendo metalli o leghe mediante induzione o altri metodi di riscaldamento e quindi atomizzando la massa fusa attraverso un ugello. Dopo aver lasciato l'ugello, il metallo o la lega fusa vengono colpiti da un flusso di gas ad alta-velocità, che rompe la massa fusa in fini goccioline. Queste goccioline si solidificano in particelle sferiche durante la caduta libera. Il gas espulso ad alta-velocità è generalmente azoto, argon o azoto; l'aria può anche essere utilizzata per formare alcune polveri speciali. Le particelle atomizzate nell'aria- hanno un elevato grado di ossidazione superficiale; pertanto, l'atomizzazione con aria non è consigliata per la maggior parte dei materiali tecnici, in particolare quelli per i quali le pellicole di ossido sono difficili da rimuovere durante la post-sinterizzazione. Le goccioline atomizzate cadono liberamente all'interno di un grande contenitore, solidificandosi prima di entrare in contatto con le pareti del contenitore. Durante l'atomizzazione, se esiste turbolenza vicino all'ugello, piccole particelle solide possono rientrare-nella massa fusa atomizzata, formando piccole particelle di polvere solidificata sulla superficie delle particelle. Queste particelle di polvere irregolari interferiscono con la densità dell'impaccamento della polvere e con le conseguenti proprietà di flusso dell'alimentazione MIM. Le polveri atomizzate ad ampia-dimensione-distribuzione possono essere prodotte mediante setacciatura o cernita ad aria. Le particelle sovradimensionate possono essere ri-atomizzate per produrre polveri-di dimensioni più piccole. La Figura 3.4 mostra una tipica immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di polvere atomizzata di acciaio inossidabile, che ha una forma sferica, elevata purezza superficiale ed elevata densità di impaccamento.
Atomizzazione dell'acqua
I principi dell'atomizzazione dell'acqua e dell'atomizzazione del gas sono sostanzialmente simili. La differenza è che l'acqua, invece del gas, viene utilizzata per scomporre il metallo fuso in particelle fini. Utilizza un getto d'acqua ad alta-pressione per colpire il flusso di metallo fuso, scomponendolo rapidamente e solidificandolo in polvere. La fusione surriscaldata, dopo essere stata atomizzata da un getto d'acqua ad alta-pressione, produce un gran numero di particelle fini e sferiche. Pertanto, l'utilizzo dell'atomizzazione dell'acqua per preparare la polvere metallica a temperature surriscaldate e pressioni dell'acqua elevate è fondamentale per il MIM (Metal Injection Moulding). Similmente all'atomizzazione del gas, la classificazione delle dimensioni delle particelle della polvere atomizzata con acqua- è un passo importante nella produzione della polvere MIM. La Figura 3.5 mostra una tipica immagine SEM di polvere di acciaio inossidabile atomizzata con acqua. Queste particelle hanno forme irregolari e, rispetto all'atomizzazione con gas, l'ossidazione superficiale delle particelle di polvere atomizzata con acqua- è più grave. Le particelle di forma irregolare hanno il vantaggio di mantenere la forma durante lo sgrassaggio delle parti stampate a iniezione-. L'atomizzazione dell'acqua ha un'efficienza produttiva molto più elevata rispetto all'atomizzazione del gas, pertanto il costo di produzione della polvere atomizzata con acqua è molto inferiore a quello della polvere atomizzata con gas.
Decomposizione termica
La decomposizione termica è una decomposizione chimica causata dal calore, comunemente utilizzata per produrre polveri di nichel e ferro per lo stampaggio a iniezione di metalli. Utilizzando questa tecnologia è possibile preparare anche polveri di tungsteno e cobalto. Le polveri prodotte dalla decomposizione termica hanno una purezza superiore al 99% e una dimensione delle particelle compresa tra 0,20 e 20 μm. In questo processo, il metallo reagisce con il monossido di carbonio ad alta pressione e temperatura per formare un metallo a base di carbonio-. Questo liquido a base di carbonio- viene purificato, raffreddato e quindi riscaldato sotto l'azione di un catalizzatore, facendo condensare il vapore in polvere. La Figura 3.6 mostra una tipica immagine SEM di polvere di ferro a base di carbonio-decomposta termicamente. Queste polveri in genere contengono impurità di carbonio e devono essere ridotte in idrogeno prima dell'uso o durante la sinterizzazione oppure utilizzate nei calcoli come componente di lega per l'acciaio bassolegato. Se la polvere viene ridotta prima dello stampaggio a iniezione del metallo, le particelle devono essere macinate per eliminare l'agglomerazione poiché si aggregano durante la riduzione. Inoltre, l'attività di sinterizzazione di queste polveri ridotte è inferiore a quella delle polveri non ridotte poiché le particelle fini vengono completamente sinterizzate o assimilate da particelle più grandi durante la riduzione.
Metodo di riduzione chimica
Il metodo di riduzione chimica è uno dei più antichi metodi di produzione di polveri conosciuti. Questo metodo innanzitutto purifica l'ossido, quindi utilizza un agente riducente come il carbonio per reagire con esso per generare monossido di carbonio o anidride carbonica per la riduzione. L'idrogeno può anche essere utilizzato per ridurre l'ossido in polvere metallica. Per ridurre la dimensione delle particelle, la reazione di riduzione viene effettuata a una temperatura relativamente bassa, ma la velocità di reazione è bassa. L'uso di temperature più elevate può accelerare questo processo di reazione, ma temperature più elevate possono causare legami per diffusione delle particelle, che devono quindi essere rimosse mediante macinazione o macinazione fino a ottenere una dimensione delle particelle sufficientemente fine. Se le particelle non vengono frantumate, la polvere aggregata non può essere caricata correttamente nel sistema legante, con conseguente elevata viscosità dell'alimentazione e alimentazione irregolare durante lo stampaggio a iniezione. La Figura 3.7 mostra una tipica immagine SEM della polvere di tungsteno prodotta mediante riduzione chimica.
