L'acciaio ad alta-rapidità può essere stampato a iniezione di metalli?

La risposta breve è sì, ma il processo richiede una precisione che distingua le strutture MIM esperte dal resto. Gli acciai per utensili ad alta-rapidi come M2, M4, T15 e M42 sono stati prodotti con successo tramite stampaggio a iniezione di polveri dalla fine degli anni '90, dopo decenni di sviluppo della metallurgia delle polveri. La tecnologia consente ai produttori di produrre utensili da taglio complessi, ingranaggi di precisione e componenti resistenti all'usura-che altrimenti richiederebbero una lavorazione intensiva da barre lavorate.

 Perché prendere in considerazione il MIM per l'acciaio ad alta-rapidità?

La tradizionale colata in lingotti di acciai per utensili produce segregazione durante la solidificazione, dando luogo a grandi precipitati di carburo che formano striature longitudinali durante la lavorazione a caldo. Nel 1960, i ricercatori di Crucible Steel dimostrarono che atomizzare l'acciaio per utensili in polvere e consolidarlo tramite pressatura isostatica a caldo (HIP) poteva eliminare completamente questa segregazione. La microstruttura risultante mostrava carburi finemente dispersi con tenacità notevolmente migliorata rispetto al materiale fuso di identica composizione.

Lo stampaggio a iniezione di metalli va oltre consentendo la produzione di forme quasi-net-di geometrie che sarebbero poco pratiche da lavorare. ABIS Mould Technology ha applicato questa capacità in settori che richiedono componenti complessi ad alta-durezza, in particolare nelle applicazioni automobilistiche, aerospaziali e di utensili industriali. Quando un cliente russo ha visitato il nostro stabilimento di Shenzhen nel 2023 per valutare le linee di produzione MIM, la discussione si è concentrata proprio su questo punto: MIM può fornire parti M4 e T15 con densità superiori al 96% del teorico, valori di durezza che raggiungono 63-65 HRC dopo il trattamento termico e ripetibilità dimensionale su tutti i volumi di produzione.

 Finestra di sinterizzazione

La difficoltà principale con il MIM in acciaio ad alta-rapidità risiede in quella che il settore chiama "finestra di sinterizzazione"-l'intervallo di temperature consentite che produce densità accettabile senza causare degrado microstrutturale. Per l'acciaio M2 con un contenuto di carbonio dello 0,85%, questa finestra è di circa 13 gradi (da 1245 gradi a 1258 gradi). Al di fuori di questo intervallo, si verifica una densificazione insufficiente oppure si forma una fase liquida in eccesso ai bordi dei grani, creando pellicole di carburo che fungono da percorsi di propagazione delle cricche sotto carico.

Questa tolleranza ristretta richiede sistemi di forni con controllo della temperatura multi-zona e una gestione precisa dell'atmosfera. ABIS utilizza apparecchiature di sinterizzazione sotto vuoto con zone calde rivestite di grafite- che mantengono il potenziale di carbonio necessario per prevenire la decarburazione. I nostri processi di certificazione ISO 9001 e IATF 16949 impongono la documentazione dei profili di sinterizzazione per ogni lotto di produzione, con la verifica del contenuto di carbonio sui campioni di ciascun lotto.

L'acciaio T15 presenta una situazione un po' più indulgente. Il contenuto più elevato di vanadio (circa 4,6%) produce carburi di tipo MC- che agiscono come agenti di fissaggio ai bordi del grano durante la sinterizzazione. Ricerca pubblicata da Kar et al. (1993) hanno dimostrato che T15 potrebbe essere sinterizzato in un intervallo di temperatura di 55 gradi in atmosfere di azoto-idrogeno, rispetto a meno di 20 gradi per M2 in condizioni simili. Quando i clienti richiedono la massima resistenza all'usura per applicazioni come inserti da taglio o matrici di formatura, spesso consigliamo T15 per la sua stabilità di processo tanto quanto per le sue proprietà meccaniche.

 Considerazioni sulle materie prime e sul debinding

Le polveri di acciaio ad alta velocità-atomizzato a gas-si comportano in modo simile all'acciaio inossidabile 316L e 17-4PH nella preparazione delle materie prime. I valori D90 tipici di 18-24 μm consentono carichi solidi del 60-67% in volume con sistemi leganti a base di cera-polimero o poliacetale. La morfologia sferica delle particelle atomizzate in gas produce caratteristiche reologiche adatte per l'iniezione a parete sottile con formazione di getti o linee di saldatura minimi.

Il debinding rappresenta la sfida più significativa per il controllo del carbonio. Le atmosfere di idrogeno puro causano la decarburazione, mentre le atmosfere inerti possono provocare la formazione di carbonio residuo derivante dalla combustione incompleta del legante. La pratica industriale converge verso atmosfere miste contenenti il ​​5-25% di idrogeno in azoto, sebbene alcuni impianti utilizzino miscele CO/CO₂ o CH₄/H₂ durante la presinterizzazione per una gestione più rigorosa del carbonio. L'analisi termogravimetrica della decomposizione del legante nell'atmosfera di produzione rimane essenziale per determinare i profili termici appropriati.

 Trattamenti termici e proprietà finali

Le parti in acciaio rapido MIM- possono essere trattate termicamente utilizzando le stesse condizioni del materiale lavorato convenzionalmente. Il trattamento con bagno di sale a 1177-1205 gradi seguito dalla tempra a 579-593 gradi produce una trasformazione coerente in martensite. Il doppio o triplo rinvenimento a 538-566 gradi riduce l'austenite trattenuta e massimizza la durezza.

 Applicazioni pratiche

Gli aspetti economici della produzione dell'acciaio rapido MIM- favoriscono applicazioni di volume medio-a-alto con geometrie complesse. Alla fiera Chinaplas del 2023 a Shenzhen, dove ABIS ha presentato le nostre soluzioni di produzione di precisione, diversi partecipanti hanno chiesto informazioni specifiche sui componenti di utensili MIM per apparecchiature di assemblaggio automatizzato. Queste applicazioni coinvolgono tipicamente parti di piccole dimensioni (sotto i 50 grammi) con caratteristiche come canali di raffreddamento interni, sottosquadri o sezioni sottili che richiederebbero più operazioni di lavorazione da materiale solido.

Le attuali applicazioni commerciali includono micropunte per la produzione elettronica, componenti di orologi che richiedono sia finitura estetica che resistenza all'usura e ingranaggi di precisione per dispositivi medici dove l'acciaio inossidabile 17-4PH non può soddisfare i requisiti di durezza. Il maggior costo del materiale rispetto al MIM in acciaio inossidabile è compensato dalla riduzione della lavorazione secondaria e dall’eliminazione dei costosi acciai per utensili che altrimenti finirebbero in trucioli.