Introduzione al principio fondamentale della sinterizzazione

(1) Principio fondamentale della sinterizzazione
La sinterizzazione è uno dei processi più fondamentali nella produzione mediante metallurgia delle polveri. La sinterizzazione svolge un ruolo decisivo nelle prestazioni del prodotto finale, poiché gli scarti causati dalla sinterizzazione non possono essere recuperati dai processi successivi; al contrario, alcuni difetti dei processi precedenti alla sinterizzazione possono essere corretti entro certi limiti regolando il processo di sinterizzazione, ad esempio modificando opportunamente la temperatura e regolando il tempo e la velocità di riscaldamento e raffreddamento.

La sinterizzazione è il processo di riscaldamento della polvere o del compatto di polvere a una temperatura inferiore al punto di fusione dei componenti principali, seguito dal raffreddamento a temperatura ambiente secondo modalità e velocità determinate. Il risultato della sinterizzazione è che le particelle di polvere si legano tra loro e la resistenza del corpo sinterizzato aumenta. Durante il processo di sinterizzazione si verificano una serie di cambiamenti fisici e chimici che trasformano l'aggregato di particelle di polvere in un aggregato di grani, ottenendo così un prodotto o un materiale con le proprietà fisiche e meccaniche richieste. Durante la sinterizzazione, oltre al collegamento delle particelle di polvere, possono verificarsi anche densificazione, legatura, trattamento termico e collegamento. In genere, il processo di sinterizzazione delle polveri metalliche viene classificato come segue:
1. Sinterizzazione di polveri monofase (metallo puro, fusione antica o composto metallico)
2. Sinterizzazione in fase solida di polveri multifase (metallo-metallo o metallo-non metallo)
3. Sinterizzazione in fase liquida di polveri multifase:
4. Infiltrazione del materiale fuso
Di solito, i primi tre tipi di sinterizzazione sono quelli a cui sono attualmente esposti i microcuscinetti PORITE e che devono comprendere. Di solito, durante il processo di sinterizzazione, le particelle di polvere attraversano spesso le seguenti fasi di trasformazione
1. Le particelle iniziano a connettersi
2. Il collo di giunzione tra le particelle cresce
3. Il canale dei pori si chiude
4. Sferoidizzazione dei pori
5. Contrazione dei pori
6. Ingrossamento dei pori
I vari cambiamenti nel suddetto processo di sinterizzazione sono strettamente correlati al movimento e alla migrazione delle sostanze. Teoricamente, il meccanismo è il seguente:
1. Evaporazione e condensazione
2. Diffusione volumica
3. Diffusione superficiale
4. Diffusione interfase
5. Flusso viscoso
6. Flusso plastico

(2) Processo di sinterizzazione

2-1. Processo di sinterizzazione
Il processo di sinterizzazione della metallurgia delle polveri può essere suddiviso approssimativamente in quattro fasi di temperatura:
Riscaldamento
Sinterizzazione e conservazione del calore
Raffreddamento lento
Raffreddamento rapido
1. Fase di presinterizzazione a bassa temperatura. In questa fase avvengono principalmente il recupero del metallo e la volatilizzazione dei gas adsorbiti e dell'acqua, nonché la decomposizione e la rimozione dell'agente legante dal pezzo verde pressato. Nei cuscinetti PORITE in rame e ferro, R, B, 0 (Rapid Burning 0ff) viene utilizzato per sostituire la fase di presinterizzazione a bassa temperatura. Dopo R, B, 0, i prodotti in rame e ferro si ossidano, ma possono essere ridotti all'interno del corpo e possono anche favorire la sinterizzazione.
2. Fase di sinterizzazione a media temperatura. In questa fase iniziano a comparire fenomeni di riagglomerazione. Innanzitutto, all'interno delle particelle, quelle deformate vengono ripristinate e riorganizzate in nuove particelle. Contemporaneamente, gli ossidi sulla superficie delle particelle vengono completamente ridotti e si formano colli di sinterizzazione all'interfaccia tra le particelle.
3. La fase di sinterizzazione viene completata mediante il mantenimento ad alta temperatura. Questa fase costituisce il processo principale della sinterizzazione. Se la diffusione e il flusso si svolgono pienamente e sono quasi completati, si formano numerosi pori chiusi che continuano a restringersi; di conseguenza, le dimensioni e il numero totale dei pori diminuiscono e la densità del corpo sinterizzato aumenta significativamente.
4. Fase di raffreddamento: il processo di sinterizzazione effettivo è una sinterizzazione continua; pertanto, anche il processo che consiste nel raffreddamento lento dalla temperatura di sinterizzazione per un certo periodo e poi nel raffreddamento rapido fino al raggiungimento della temperatura ambiente nel forno costituisce la fase di decomposizione dell'austenite e di formazione graduale della struttura finale.
La temperatura si riferisce generalmente alla temperatura massima di sinterizzazione, ovvero alla temperatura di mantenimento, che è generalmente pari a 1/2~4/5 della temperatura assoluta di fusione. L'indice di temperatura a=0.67~0.80; il limite inferiore è leggermente superiore alla temperatura di riformazione del prodotto, mentre il limite superiore viene determinato principalmente da considerazioni economiche e tecniche e viene scelto contemporaneamente al tempo di sinterizzazione. 2-2. Fattori che influenzano il processo di sinterizzazione:
1. Proprietà del materiale, incluse le varie energie interfacciali e libere: coefficiente di diffusione, coefficiente di viscosità, tensione di taglio critica, pressione di vapore e velocità di evaporazione, tipo di reticolo e morfologia del prodotto; struttura della trasformazione allotropica, ecc. 2. Proprietà della polvere: incluse la granulometria, la forma e la morfologia delle particelle, la struttura delle particelle e la composizione chimica delle particelle.
3. Proprietà fisiche dei compatti verdi: inclusi la densità di pressatura, le tensioni residue di pressatura, la deformazione o la distruzione del film di ossido sulla superficie delle particelle e il gas presente nei pori del compatto verde.
4. Parametri del processo di sinterizzazione: inclusi il tempo di mantenimento, la velocità di riscaldamento e raffreddamento, il gas di sinterizzazione, ecc. 2-3. Variazioni delle dimensioni e della densità dei compatti verdi durante la sinterizzazione
Nella produzione, i requisiti relativi alle dimensioni e alla precisione della forma dei prodotti sono molto elevati. Pertanto, controllare le variazioni di densità e dimensionali dei compatti pressati durante la sinterizzazione è una questione estremamente importante. I fattori che influenzano le variazioni di densità e dimensionali dei pezzi sono:
1. Ritiro e rimozione dei pori: la sinterizzazione provoca il ritiro e la rimozione dei pori, riducendo cioè il volume dei corpi sinterizzati.
2. Gas intrappolato: durante la pressatura e la formatura, nel compatto pressato possono formarsi numerosi pori chiusi e isolati. Quando vengono riscaldati e frantumati, l'aria contenuta in questi pori isolati si espande.
3. Reazione chimica: alcuni elementi chimici presenti nel semilavorato e nell'atmosfera di sinterizzazione reagiscono con una certa quantità di ossigeno presente nella materia prima del semilavorato, generando gas che evapora o rimane nel semilavorato, causandone il ritiro o l'espansione.
4. Legatura: quando due o più polveri elementari vengono legate, se un elemento si dissolve in un altro formando una soluzione solida, il reticolo cristallino di base può espandersi o contrarsi.
5. Lubrificante: quando una certa quantità di lubrificante viene miscelata nella polvere metallica e pressata per formare un semilavorato, a una determinata temperatura il lubrificante miscelato brucia, causando il ritiro del semilavorato. Tuttavia, se le sostanze gassose prodotte dalla decomposizione non riescono a raggiungere la superficie del corpo sinterizzato, il semilavorato può espandersi.
6. Direzione di pressatura: durante la sinterizzazione, la variazione dimensionale del pezzo pressato non è uguale nella direzione perpendicolare o parallela alla direzione di pressatura. In generale, il tasso di variazione dimensionale nella direzione perpendicolare (direzione radiale) è maggiore, mentre quello nella direzione parallela (direzione assiale) è minore.
2-4. Preparazione prima della sinterizzazione
Verificare se i prodotti sinterizzati sono adatti alla temperatura di sinterizzazione e alla velocità del nastro a rete, controllare i prodotti da sinterizzare e rimuovere i semilavorati pressati non conformi. In genere, il controllo viene eseguito secondo i requisiti dei disegni di processo. Di solito si verificano le dimensioni geometriche e gli scostamenti del peso unitario del prodotto, ovvero la densità dei semilavorati pressati, nonché la presenza di bordi e angoli rotti, cricche da delaminazione e rugosità eccessiva nei semilavorati pressati.
Determinare il metodo di sinterizzazione (ad esempio in posizione verticale, orizzontale o con scarico) in base alla forma e alle dimensioni dei semilavorati pressati. Quindi utilizzare un ugello pneumatico per soffiare via la polvere rimasta sulla superficie del prodotto. In casi particolari, è necessario sinterizzare piastre di alluminio alte. 2-5. Lavorazioni di finitura dopo la sinterizzazione
Dopo la sinterizzazione, i prodotti devono essere prima ispezionati e le parti non conformi devono essere separate. Successivamente, devono essere oliati e impilati ordinatamente in base alla classificazione del prodotto. In casi particolari, i prodotti devono essere inseriti in una macchina comune (tamburo) per rimuovere le bave e separare le parti rimaste attaccate tra loro.
2-6. Analisi dei prodotti di scarto nel forno di sinterizzazione
I prodotti di scarto della sinterizzazione comprendono i prodotti di scarto che non possono essere recuperati durante il processo e i «prodotti da ricuocere» che possono essere trasformati in prodotti conformi mediante una rilavorazione.
1. Cambiamento di forma e deformazione
2. Formazione di bolle e incrinature
3. Cavità
4. Scostamento dimensionale
5. Sovracottura e sottocottura
6. Ossidazione e sformatura
7. Difetti metallografici

(3) Struttura di base del forno di sinterizzazione e introduzione al forno di sinterizzazione a nastro a rete

Per produrre in serie prodotti di metallurgia delle polveri di alta qualità e a basso costo, durante la sinterizzazione è necessario controllare rigorosamente la velocità di riscaldamento, la temperatura e il tempo di sinterizzazione, la velocità e il tempo di raffreddamento, l'atmosfera del forno e altri fattori. Pertanto, la scelta di un forno di sinterizzazione adatto è una parte importante della produzione di metallurgia delle polveri.
3-1. Classificazione dei forni di sinterizzazione
In base al metodo di riscaldamento: si dividono in tipo a riscaldamento a combustibile e tipo a riscaldamento elettrico:
In base al metodo di produzione: si dividono in tipo intermittente e tipo continuo:
In base al metodo di trasporto dei prodotti sinterizzati, i forni di sinterizzazione continui si dividono in tipo a nastro a rete, tipo a letto, tipo a navetta spinta e tipo a passo

Il processo di metallurgia delle polveri prevede i seguenti requisiti per la struttura del forno di sinterizzazione:
1. È presente un involucro del forno sigillato o un manicotto a muffola per mantenere l'atmosfera riducente nel forno e impedire l'ingresso dell'aria
2. È presente un meccanismo di trasporto del materiale stabile e affidabile
3. È presente una zona di preriscaldamento per rimuovere il lubrificante e il gas adsorbito dal corpo pressato allo stato verde
4. Un nastro di sinterizzazione ad alta temperatura con potenza sufficiente per garantire al prodotto un adeguato processo di sinterizzazione e mantenimento del calore
5. Un nastro di raffreddamento a camicia d'acqua per prevenire l'ossidazione e formare la struttura metallografica finale
6. Un dispositivo per regolare e controllare la velocità di riscaldamento, la temperatura di sinterizzazione, il tempo di mantenimento del calore, la velocità di raffreddamento, ecc.
7. Un sistema di controllo rigoroso della temperatura
8. La distribuzione della temperatura nella sezione trasversale della camera del forno è uniforme
9. L'elemento riscaldante deve soddisfare i requisiti relativi alle condizioni di temperatura di sinterizzazione
10. Quando il forno elettrico viene acceso e spento e durante il carico e lo scarico, l'aria non deve rifluire nel forno e non deve esserci vapore acqueo aderente al forno.

Il forno elettrico di sinterizzazione per la metallurgia delle polveri è generalmente composto da tre parti: nastro di preriscaldamento, nastro di sinterizzazione e nastro di raffreddamento. L'intera struttura del corpo del forno è solitamente collegata verticalmente a un manicotto di muffola per formare un insieme, e nel tubo del forno viene fatto passare gas protettivo (come mostrato nella figura). Le funzioni dei tre nastri nel forno di sinterizzazione sono le seguenti:
1. Nastro di preriscaldamento: preriscalda i compatti di polvere e brucia i lubrificanti:
2. Nastro di sinterizzazione: mantiene i compatti alla temperatura prescritta per un tempo sufficientemente lungo da ottenere le proprietà fisiche e meccaniche richieste per i pezzi sinterizzati;
3. Nastro di raffreddamento: comprende il nastro di preraffreddamento e il nastro di raffreddamento con camicia d'acqua. Raffredda lentamente i compatti dall'alta temperatura fino alla temperatura di ricristallizzazione, quindi li raffredda rapidamente per ottenere la struttura finale del prodotto. 3-4. Introduzione al forno di sinterizzazione a nastro a rete
Il forno di sinterizzazione a nastro a rete è il forno di sinterizzazione più comunemente utilizzato per la sinterizzazione di prodotti a base di ferro e rame. Il nastro a rete è realizzato in lega resistente al calore. Generalmente, la temperatura massima di sinterizzazione è <1150℃. La larghezza del nastro a rete e le dimensioni del forno vengono selezionate in base alle dimensioni e alla quantità del prodotto. Il nastro a rete è azionato da un dispositivo di trasmissione che fa compiere al nastro a rete ad anello una circolazione continua nel forno, allo scopo di trasportare il materiale. Il prodotto può essere caricato nella rete metallica oppure collocato direttamente sul nastro a rete e, muovendosi con esso, viene preriscaldato, sinterizzato, raffreddato e infine scaricato dall'uscita. La procedura operativa specifica è illustrata nello "Standard operativo del forno di sinterizzazione 3005". Il dispositivo R.B.0. utilizzato recentemente è un metodo per accelerare la deceratura mediante combustione diretta di gas di carbone o gas di petrolio liquefatto. L'uso del metodo RB0 può ridurre la lunghezza della zona di preriscaldamento, risparmiare spazio a pavimento per le apparecchiature, favorire l'eliminazione dei vapori di lubrificante e ridurre notevolmente il consumo di gas protettivo, aumentando al contempo in modo considerevole la produttività del forno. La procedura operativa specifica è illustrata nello "Standard della procedura operativa R.B.0".