Che cos'è la pressatura isostatica a caldo?
Panoramica
La tecnologia della pressatura isostatica a caldo (HIP) è stata proposta negli anni '50 dal Battelle Memorial Institute. Originariamente veniva utilizzato per l'incollaggio per diffusione di parti di reattori nucleari. Si scoprì presto che si tratta di un'eccellente tecnologia per il consolidamento delle polveri e l'eliminazione delle porosità nel metallo duro. La pressatura isostatica a caldo si è sviluppata in una tecnologia riconosciuta nell'industria per la densificazione e la densificazione delle leghe per migliorarne le proprietà meccaniche, la levigatezza e la capacità di placcatura. La sua funzione principale è rimuovere i vuoti all'interno del materiale. La maggior parte dei produttori di stampaggio a iniezione di metalli esternalizza questo processo a fornitori di servizi professionali di pressatura isostatica a caldo MIM o a fornitori di lavorazione HIP certificati.
Poiché il processo è semplice e richiede solo il trattamento ad alta temperatura e alta pressione delle parti, l'attrezzatura per la pressatura isostatica a caldo è appositamente progettata per raggiungere queste condizioni e il costo dell'attrezzatura è elevato. Durante il processo di pressatura isostatica a caldo, l'alta temperatura rende il materiale molto morbido e facile da deformare, mentre l'alta pressione comprime i micropori all'interno del materiale. I pori vengono eliminati attraverso meccanismi di creep e diffusione. Il carico di snervamento (YS) del materiale diminuisce all'aumentare della temperatura. Quando l'ossigeno viene applicato ai materiali metallici, i protoni caldi non si diffondono nei materiali metallici. I meccanismi di pre-deformazione nella fase iniziale della pressatura isostatica a caldo includono lo scorrimento di Nabarro-Herring (diffusione attraverso l'interno del grano), lo scorrimento di Coble (scorrimento al confine del grano) e lo scorrimento di dislocazione.
Lo stadio finale della pressatura isostatica a caldo comprende l'unione per diffusione delle pareti dei pori chiusi tra loro. Poiché la densità sinterizzata delle parti metalliche stampate a iniezione è sufficientemente elevata e i pori interni sono chiusi (non interconnessi) e comprimibili, sono molto adatti per la tecnologia di pressatura isostatica a caldo. Se le parti metalliche stampate a iniezione hanno pori esposti e non chiusi, il gas compresso scaricato riempirà questi pori senza comprimerli. Dopo aver preparato la lega di titanio mediante la tecnologia di pressatura isostatica a caldo delle polveri, la polvere metallica deve essere inserita in un forno di pressatura isostatica a caldo e aspirata, quindi la porta del forno viene chiusa, in modo che lo stretto legame tra le polveri possa essere ottenuto sotto l'azione della pressione e della temperatura. Fortunatamente, la densità sinterizzata dei pezzi metallici stampati ad iniezione raggiunge solitamente più del 95%, e nella maggior parte dei casi supera il 98%, mentre la densità minima dei materiali pressati isostatici a caldo è compresa tra il 92% e il 94%. La tabella 9.1 mostra la densità minima delle parti metalliche stampate a iniezione dopo la pressatura isostatica a caldo. Marcando le parti metalliche stampate a iniezione con un pennarello ad alta-temperatura è possibile verificare se possono essere pressate isostaticamente a caldo.
Se il segno non viene registrato chiaramente e non si diffonde all'interno del pezzo, è possibile utilizzare la pressatura isostatica a caldo per ottenere una densità maggiore. Se entra all'interno del pezzo, la pressatura isostatica a caldo non può essere utilizzata per ottenere una densità maggiore. Molti fornitori globali di sistemi di densificazione HIP per stampaggio a iniezione di metalli ora offrono servizi di post-elaborazione-interni-per aiutare i clienti a ottenere componenti MIM a-densità completa.
Tabella 9.1 Densità minima delle parti metalliche stampate a iniezione dopo la pressatura isostatica a caldo (g/cm³)
| Lega | Densità teorica | Densità minima dopo HIP |
|---|---|---|
| Ti–6Al–4V | 4.43 | 4.1 |
| F2886 (F75) | 8.4 | 7.8 |
| 17–4PH SS | 7.8 | 7.2 – 7.10 |
| 316L SS | 8.0 | 7.4 |
| Acciaio basso-legato | 7.6 – 7.9 | 7.1 – 7.3 |
| S7 | 7.83 | 7.2 |
Processo di pressatura isostatica a caldo
Il processo di pressatura isostatica a caldo utilizza gas caldo inerte compresso per applicare pressione al pezzo. Per le parti metalliche stampate a iniezione, la temperatura di pressatura isostatica a caldo è solitamente inferiore di 100~200 gradi rispetto alla temperatura di sinterizzazione e la pressione è solitamente compresa tra 15 000~20 000 psi (105~140 MPa). Il gas preferito per la pressatura isostatica a caldo è l'argon perché la sua dimensione atomica è grande. Si può usare anche l’azoto, ma l’effetto non è buono quanto l’argon. La Figura 9.1 mostra un diagramma schematico della pressatura isostatica a caldo. Il processo è un processo di elaborazione batch e solitamente dura 4~10 ore. I passaggi sono i seguenti:
(1) Caricare il materiale nel forno e chiudere la porta del forno;
(2) Vuoto e riempimento con gas inerte;
(3) Riscaldare e pressurizzare allo stesso tempo;
(4) Raffreddare e depressurizzare allo stesso tempo;
(5) Scarico;
(6) Estrarre le parti.
Questa sequenza rappresenta un processo di pressatura isostatica a caldo indipendente e viene solitamente utilizzata per produrre billette dense per la fusione e parti stampate a iniezione di metallo. Nell'industria del carburo cementato, un processo chiamato sinterizzazione con pressatura isostatica a caldo o sinterizzazione a pressione è il processo utilizzato per densificare i componenti a base di polvere di carburo cementato/cobalto. Poiché la sinterizzazione e la pressatura isostatica a caldo vengono completate in un unico passaggio, i tempi e i costi totali di lavorazione vengono ridotti. La pressione è solitamente di 1,5~10 MPa, che è molto inferiore alla pressatura isostatica a caldo standard, ma è sufficiente per eliminare i pori nel carburo cementato. I principali fornitori cinesi di componenti MIM per stampaggio isostatico a caldo e i fornitori internazionali di soluzioni di stampaggio a iniezione di metalli a piena densità- adottano ampiamente questa tecnologia integrata per fornire componenti con prestazioni di fatica più elevate per i clienti del settore aerospaziale, medico e automobilistico.
