Come si producono le polveri metalliche

Le polveri metalliche vengono prodotte utilizzando quattro categorie principali di processi produttivi: Atomizzazione (fisica), Riduzione allo stato solido (chimica), Elettrolisi e Commistione meccanica. Tra questi, l'atomizzazione è il metodo più diffuso per le moderne applicazioni ad alte prestazioni, in cui un flusso di metallo fuso viene disintegrato in goccioline sottili da getti di acqua o gas ad alta pressione. La riduzione allo stato solido prevede la rimozione chimica dell'ossigeno dagli ossidi metallici (in genere ferro) per creare una polvere simile a una spugna. L'elettrolisi utilizza la corrente elettrica per depositare polveri metalliche di elevata purezza da una soluzione, spesso utilizzata per il rame. Infine, la commistione meccanica impiega tecniche di fresatura o macinazione per frantumare fisicamente metalli o leghe fragili e ridurli in polvere. Lo specifico processo di produzione selezionato determina la forma delle particelle della polvere (sferica o irregolare), la purezza e la densità, che a loro volta ne determinano l'idoneità per applicazioni a valle come la stampa 3D (AM), lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM) o la pressatura e sinterizzazione.

Metodo di atomizzazione

L'atomizzazione è attualmente la tecnologia più diffusa, soprattutto nei settori estremamente critici per le prestazioni dei materiali, come l'aerospaziale e la produzione di dispositivi medici. Si tratta di un processo fisico; la logica di base consiste nell'utilizzare un fluido ad alta energia per impattare il flusso di metallo fuso.

Nella realtà operativa, il "mezzo d'impatto" viene solitamente suddiviso in due categorie in base alla differenza, e gli scenari di applicazione dei due mezzi sono molto diversi:

• Atomizzazione a gas: Si tratta del processo di bombardamento del flusso di metallo con un gas inerte (come azoto o argon). Il prodotto finito è molto bello: altamente sferico e con una superficie liscia. Secondo la mia esperienza, proprio perché le particelle sono rotonde, la loro alta densità di impaccamento e l'eccellente fluidità rendono le polveri aerosolizzate lo standard industriale per la fabbricazione additiva (stampa 3D) e lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM). Se si vuole stampare un pezzo di precisione, non c'è altra scelta che utilizzare questo prodotto.
• Atomizzazione ad acqua: si tratta dell'uso di un getto d'acqua ad alta pressione per trattare il metallo fuso. Poiché la velocità di raffreddamento dell'acqua è troppo elevata, le particelle di metallo si solidificano prima di poter essere arrotondate, quindi la forma è molto irregolare e la superficie è ruvida. Sebbene la fluidità non sia pari a quella della polvere aerosolizzata, a mio avviso questo "svantaggio" è il suo vantaggio: durante il processo di pressatura, la forma irregolare può causare un'occlusione meccanica tra le particelle. Pertanto, nelle applicazioni di pressatura e sinterizzazione, se si tiene conto della "forza verde" del pezzo (cioè la forza prima della sinterizzazione), la polvere atomizzata in acqua è la prima scelta.

Metodo di riduzione allo stato solido

La riduzione allo stato solido è il metodo chimico. Quando si parla di questo metodo, tutti pensano alla produzione di polvere di ferro. A differenza del metodo di atomizzazione per fondere il metallo, questo metodo gioca con i solidi.

L'intero processo di solito si svolge in questo modo:

• Preparazione della materia prima: Il minerale viene frantumato e mescolato con un agente riducente (solitamente coke o carbone come fonte di carbonio).
• Reazione: La miscela viene riscaldata in un forno e la temperatura viene controllata al di sotto del punto di fusione del ferro. A questo punto, l'agente riducente inizia a lavorare, l'ossigeno presente nell'ossido di ferro si "sgrana".
• Il risultato: l'ultimo residuo è una struttura porosa, simile a una spugna di ferro metallico. Dopo la frantumazione e la vagliatura di queste "spugne di ferro", si ottiene il prodotto finito.

Dal punto di vista ingegneristico, questa struttura porosa presenta un enorme vantaggio: può assorbire l'olio. Pertanto, questa polvere è particolarmente adatta alla produzione di cuscinetti autolubrificanti o che richiedono un'elevata comprimibilità delle parti strutturali.

Elettrolisi

Quando il progetto in questione ha requisiti rigidi di conducibilità o purezza chimica, l'elettrolisi è l'unica via d'uscita. Questo metodo è quello più comunemente utilizzato per produrre polvere di rame.

Il suo principio è simile a quello della galvanotecnica, in parole povere:

• Impostazione: Gettare la piastra metallica (anodo) nella cella elettrolitica contenente la soluzione di solfato metallico.
• Deposizione: Dopo l'energizzazione, il metallo sull'anodo si dissolve, passa attraverso l'elettrolita e si deposita sul catodo.
• Polvere: dopo un periodo di tempo per depositare il metallo raschiare, pulire, asciugare, macinare.

La polvere elettrolitica è molto caratteristica al microscopio, mostrando un aspetto dendritico (simile alla felce) ed estremamente puro. Per questo motivo sono quasi insostituibili nelle applicazioni elettroniche, come gli inchiostri conduttivi e le spazzole dei motori.

Metodo di frantumazione meccanica

Il metodo di frantumazione meccanica è un metodo "eterogeneo", che utilizza esclusivamente la forza meccanica per frantumare il metallo solido. Questo metodo è solitamente riservato ai metalli fragili (come berillio, antimonio, bismuto) o alle leghe fragili. Il motivo è semplice: se si frantuma un metallo malleabile, questo si appiattisce e non si rompe.

I mezzi più comuni includono:

• Macinazione a sfere: Lancio di un blocco di metallo in un tamburo rotante e frantumazione del materiale con sfere di ceramica o acciaio dure all'interno.
• Rettifica: Per la smerigliatura utilizzare mole per impieghi gravosi.

A dire il vero, questo metodo ha un problema: la facilità di introdurre impurità (dopo tutto, la sfera di macinazione si usura). Tuttavia, anche la tecnologia attuale sta facendo progressi, come la macinazione a sfere ad alta energia (lega meccanica), che può saldare e interrompere materiali diversi a livello atomico per produrre alcune interessanti polveri composite.

In che modo il processo di produzione determina l'applicazione finale?

Capire "come si produce la polvere di metallo" non è un'approvazione, ma perché il metodo di produzione determina direttamente le proprietà fisiche della polvere, in particolare la forma, la purezza e la densità delle particelle.

Polvere sferica (aerosolizzata): Ideale per la stampa 3D e MIM. La sfera assicura che la polvere si distribuisca in modo piatto e fluisca senza problemi.

Polvere irregolare/spugnosa (atomizzazione ad acqua/riduzione allo stato solido): pressata in modo fisso per la sinterizzazione. La superficie ruvida permette alle particelle di "mordersi" l'una con l'altra e le parti pressate non si sfaldano facilmente.

Polvere dendritica/ad alta purezza (elettrolisi): per le applicazioni elettrochimiche di alto livello, la purezza e la conduttività non sono negoziabili.

In ultima analisi, che si tratti della violenza fisica dell'atomizzazione e della frantumazione, della reazione chimica del metodo di riduzione o della deposizione elettrochimica del metodo di elettrolisi, l'essenziale è bloccare le prestazioni attraverso il processo per garantire che le parti metalliche finali non cadano dalla catena.

Autore: Alex Miller

Con oltre 17 anni di esperienza nell'ingegneria dei materiali, sono specializzato nella metallurgia delle polveri. Condivido le mie conoscenze professionali su come i processi di atomizzazione e riduzione danno forma alle polveri metalliche utilizzate nella moderna produzione additiva e nelle applicazioni industriali.