Le leghe di tungsteno rientrano sicuramente nella lista dei "materiali da incubo" degli ingegneri. La loro elevata densità e durezza presentano notevoli sfide di lavorazione, facendo sembrare ogni passaggio una dura battaglia. Come è possibile trasformare questo materiale difficile da materia prima in prodotto finito ad alta efficienza?
Non preoccuparti, questa inestimabile "arma segreta" è qui! Questo articolo analizzerà il processo fin dall'inizio della preparazione delle materie prime, confrontando i vantaggi e gli svantaggi della metallurgia delle polveri e della stampa 3D, descrivendo in dettaglio le tecniche principali di taglio, molatura e taglio a filo e introducendo una-tecnologia all'avanguardia che può aiutarti a ottenere il doppio dei risultati con la metà dello sforzo-stampa per estrusione di polveri (PEP), fornendo una solida base per la progettazione e la produzione.
PARTE.01
Introduzione
Le leghe di tungsteno, in quanto materiale di lega con tungsteno come componente principale (il contenuto di tungsteno rappresenta solitamente dall'85% al 99%) ed elementi aggiunti come nichel, ferro, rame, cobalto, molibdeno e cromo, svolgono un ruolo indispensabile in molti campi high-tech come l'industria nucleare, l'industria militare e l'assistenza medica grazie alla loro densità estremamente elevata (da 16,5 a 19,0 g/cm3), all'elevato punto di fusione e all'eccellente resistenza meccanica[1]. In campo medico, le leghe di tungsteno vengono utilizzate per produrre componenti chiave delle apparecchiature di radioterapia. Grazie alle loro caratteristiche di alta densità, possono bloccare e modellare con precisione i raggi e sono i materiali principali per realizzare collimatori e schermi contro le radiazioni[2]. Queste eccellenti proprietà comportano anche molte difficoltà nella lavorazione e nella produzione delle leghe di tungsteno. Questo articolo mira a esplorare in modo sistematico e approfondito il processo di preparazione del grezzo e i metodi di lavorazione comunemente utilizzati delle parti in lega di tungsteno e fornire preziosi riferimenti per la loro produzione di precisione.
PARTE.02
Processo di preparazione di pezzi grezzi in lega di tungsteno
2.1 Tecnologia della metallurgia delle polveri
Le leghe di tungsteno sono difficili da produrre utilizzando i processi convenzionali di fusione e preparazione delle leghe a causa della loro alta densità, alto punto di fusione ed elevata durezza. La metallurgia delle polveri è un metodo tradizionale e ampiamente utilizzato per la preparazione di grezzi in lega di tungsteno. I suoi processi chiave sono mostrati nella Figura 1, inclusa la preparazione, la miscelazione, la formatura e la sinterizzazione della polvere di tungsteno [3]. Nel processo di preparazione della polvere di tungsteno, al fine di garantire la purezza della polvere di tungsteno, vengono spesso utilizzati processi come la riduzione dell'idrogeno e la riduzione del tungstato di ammoniaca. Allo stesso tempo, il contenuto di ossigeno, la dimensione delle particelle e la forma della polvere di tungsteno hanno un impatto significativo sulle prestazioni finali e sulla qualità della lega e devono essere rigorosamente controllati. Un contenuto di ossigeno troppo elevato ridurrà le prestazioni della lega, mentre la dimensione e la forma delle particelle influenzeranno l'effetto dei successivi processi di miscelazione e formatura. Ad esempio, la polvere di tungsteno con granulometria uniforme aiuta a mescolarsi in modo più uniforme con altre polveri metalliche durante la miscelazione, garantendo la consistenza della composizione della lega. Durante il processo di miscelazione, è necessario garantire che la dimensione delle varie particelle di polvere metallica sia uniforme e che la proporzione sia accurata. L'agitazione meccanica, la macinazione a sfere e altri metodi vengono spesso utilizzati per una miscelazione precisa. I metodi di formatura includono pressatura isostatica a freddo, pressatura a stampo, formatura per estrusione di polvere e formatura per iniezione di polvere, ecc. Questi metodi possono produrre parti con forme complesse.
Figura 1 Processi chiave della metallurgia delle polveri per grezzi in lega di tungsteno
Il processo di sinterizzazione è la chiave per garantire che la lega di tungsteno raggiunga la densità, la resistenza e altre proprietà richieste. La sinterizzazione in due-fasi [4] è ampiamente utilizzata: la fase di pre-sinterizzazione solitamente controlla la temperatura a 1000-1200 gradi. All'interno di questo intervallo di temperature, i metalli a basso punto di fusione-come rame e ferro raggiungeranno uno stato liquido e subiranno una diffusione in fase solida-con le particelle di polvere di tungsteno circostanti, fissando la posizione delle particelle di polvere di lega di tungsteno e riempiendole uniformemente, ottenendo così una formatura del pezzo grezzo. Successivamente c'è la fase di sinterizzazione ad alta-temperatura, in cui si verificano reazioni di fase-solida e di fase-liquida tra le particelle di polvere, formando infine una densa struttura di lega di tungsteno. Il controllo della temperatura e del tempo di sinterizzazione gioca un ruolo decisivo nella prestazione del prodotto. Se il tempo di sinterizzazione è troppo lungo, la dimensione dei cristalli di tungsteno aumenterà, influenzando la densità e le prestazioni complessive della lega; se la temperatura è troppo elevata, i metalli a basso-punto di fusione-come rame e ferro si volatilizzeranno, riducendo la densità e la resistenza meccanica della lega. La temperatura di sinterizzazione è generalmente controllata a circa 1400 gradi e la pre-sinterizzazione e la sinterizzazione ad alta-temperatura vengono solitamente eseguite in un ambiente sotto vuoto o con gas inerte per ridurre l'ossidazione e la volatilizzazione delle leghe a basso-punto di fusione-. Un processo comune consiste nel pre-riscaldare il pezzo grezzo di polvere di tungsteno formato a 1200 gradi per 1 ora in un'atmosfera di idrogeno per conferirgli una certa forza e conduttività, quindi eseguire la sinterizzazione di auto-resistenza utilizzando il calore generato dalla resistenza stessa del pezzo grezzo per promuovere ulteriormente la sinterizzazione.
2.2 Processo di produzione additiva
I metodi tradizionali della metallurgia delle polveri possono produrre solo pezzi grezzi con forme relativamente regolari. Per le parti in lega di tungsteno con strutture complesse, in particolare quelle con cavità complesse, è ancora necessaria una lavorazione complessa dopo la formatura in bianco per soddisfare finalmente i requisiti della parte. Attualmente non esistono metodi efficaci di lavorazione e formatura per cavità interne chiuse complesse, il che limita la progettazione di parti in lega di tungsteno. La tecnologia di produzione additiva fornisce una nuova soluzione per la progettazione e la produzione di parti in lega di tungsteno. Le tecnologie di produzione additiva dei metalli comunemente utilizzate includono la fusione laser selettiva (SLM), la stereoformatura laser (LSF), la produzione additiva ad arco elettrico (WAAM), la fusione laser selettiva a letto di polvere (L-PBF) e la deposizione di energia direzionale laser (L-DED) [5, 6]. Nella Tabella 1 è mostrato un confronto tra i vantaggi e gli svantaggi dei diversi processi di produzione additiva per la produzione di parti in lega di tungsteno. SLM può produrre parti con geometrie complesse, ma presenta problemi quali superficie ruvida, grande stress residuo tra gli strati e dimensioni limitate della parte, ed è adatto per la produzione di piccole parti; LSF può ottenere una struttura fine, uniforme e densa, migliorare le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione dei materiali, ma quando i parametri del processo non sono abbinati, è facile che si verifichino difetti come una scarsa fusione nello strato depositato; WAAM è adatto per la produzione di parti strutturali aerospaziali integrate su larga-scala, con velocità di formatura e densità elevate, ma la qualità della superficie delle parti formate è scarsa. Una tipica parte in lega di tungsteno prodotta mediante tecnologia di produzione additiva è mostrata nella Figura 2. Rispetto al metodo tradizionale della metallurgia delle polveri, la produzione additiva presenta evidenti vantaggi nella produzione di parti complesse in lega di tungsteno. Non solo può preparare parti con strutture e cavità complesse per soddisfare requisiti di progettazione speciali, ma anche realizzare la deposizione-strato per-strato dei materiali, migliorare l'utilizzo dei materiali e ridurre i costi[7]. Tabella 1. Confronto tra vantaggi e svantaggi delle parti in lega di tungsteno prodotte mediante diversi processi di produzione additiva
a) Griglia anti-diffusione
b) Parti porose
Figura 2. Parti tipiche in lega di tungsteno prodotte utilizzando la tecnologia di produzione additiva
2.3 Confronto e selezione dei processi
La metallurgia delle polveri e la produzione additiva sono attualmente i due metodi principali per la produzione di pezzi grezzi in lega di tungsteno, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi nella preparazione dei pezzi grezzi. Un confronto tra i processi di preparazione dei grezzi in lega di tungsteno è mostrato nella Tabella 2. La metallurgia delle polveri è relativamente più matura, produce materiali con una densità migliore e offre vantaggi nella produzione di massa stabile. La produzione additiva è un nuovo processo sviluppato negli ultimi anni, con vari percorsi di processo derivati, e presenta vantaggi nella produzione di parti strutturali con cavità complesse.
Tabella 2. Confronto dei processi di preparazione del grezzo in lega di tungsteno
Per ottenere prestazioni più elevate e complete, le parti in lega di tungsteno in campi-all'avanguardia come quello aerospaziale, della difesa, dell'industria nucleare, delle apparecchiature mediche e dell'elettronica tendono ad avere caratteristiche strutturali più complesse, tra cui pareti sottili, superfici curve e strutture porose, che i metodi tradizionali della metallurgia delle polveri non sono in grado di gestire. La produzione di parti in lega di tungsteno puro ad alta-densità e senza difetti-direttamente utilizzando la produzione additiva deve ancora affrontare diverse sfide tecniche. La stampa per estrusione di polveri (PEP), una tecnologia di stampa 3D indiretta su metalli che combina la stampa 3D e la metallurgia delle polveri, utilizza polvere di lega di tungsteno con un legante. La polvere viene modellata utilizzando apparecchiature di stampa 3D e quindi post-elaborata tramite deceraggio e sinterizzazione tramite metallurgia delle polveri, ottenendo infine parti strutturali ad alta-densità e-prestazioni elevate. Questa tecnologia fornisce una nuova soluzione alle difficoltà legate alla lavorazione delle leghe di tungsteno e alla produzione di strutture complesse. Le sue caratteristiche di formatura a bassa-temperatura e di impostazione ad alta-temperatura risolvono efficacemente problemi come deformazione, fessurazioni e vuoti che si riscontrano facilmente in altri processi di stampa 3D di leghe di tungsteno.
PARTE.03
Lavorazione di parti in lega di tungsteno
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) porta ad un tasso di usura dell'utensile notevolmente accelerato durante la lavorazione, influenzando la precisione della lavorazione e la durata dell'utensile. La durata dell'utensile e l'efficienza della lavorazione sono fattori chiave da considerare nella lavorazione. Le leghe di tungsteno hanno una conduttività termica relativamente bassa e il calore generato durante il taglio è difficile da dissipare rapidamente. Il tagliente lavora ad alta temperatura, che genera facilmente stress termico, portando alla deformazione dell'utensile e ad una maggiore usura [8]. I trucioli di lega di tungsteno sono granulari, rendendo difficile la rimozione dei trucioli. Tendono ad accumularsi nell'area di taglio, formando bordi di truciolo, compromettendo la qualità della superficie delle parti lavorate e possono anche danneggiare l'utensile e la macchina utensile. Un confronto tra utensili da taglio e parametri di processo per parti in lega di tungsteno è mostrato nella Tabella 3. Nella pratica ingegneristica, gli utensili PCBN sono una delle scelte migliori. Parti tipiche in lega di tungsteno lavorate mediante taglio sono mostrate nella Figura 3. Tabella 3 Confronto di utensili da taglio e parametri di processo per parti in lega di tungsteno Figura 3 Parti tipiche in lega di tungsteno lavorate mediante taglio PARTE.04 Rettifica di parti in lega di tungsteno La rettifica, come metodo di micro-taglio, è adatta per la lavorazione di materiali ad alta-durezza come le leghe di tungsteno. La rettifica della mola è mostrata nella Figura 4. La mola è composta principalmente da grani abrasivi, pori e leganti in un rapporto specifico. I suoi grani abrasivi hanno caratteristiche di angolo ottuso, solitamente nell'intervallo da 90 gradi a 120 gradi. Durante il processo di macinazione delle leghe di tungsteno, il materiale di macinazione risultante è granulare. A causa della sua viscosità e tenacità relativamente basse, i trucioli sono relativamente facili da rimuovere e non ostruiscono facilmente i pori della mola [9]. Pertanto, quando si macinano le leghe di tungsteno, è possibile utilizzare mole con pori più grandi per migliorare l'efficienza di macinazione e la qualità della lavorazione. Nella zona di macinazione è facile che si accumuli calore, il che può causare ustioni. Per affrontare efficacemente questo problema, è necessario adottare misure di raffreddamento forzato ad alta-pressione e ad alto-flusso per rimuovere tempestivamente il calore generato durante il processo di macinazione e ridurre la deformazione termica e lo stress termico nell'area di macinazione. Di solito, le emulsioni a base di acqua- vengono selezionate come fluidi da taglio per garantire che l'effetto di raffreddamento raggiunga lo stato migliore. La selezione dei parametri del processo di rettifica per le parti in lega di tungsteno è mostrata nella Tabella 4. Figura 4 Diagramma schematico della mola Tabella 4 Selezione dei parametri del processo di rettifica per le parti in lega di tungsteno Le parti in lega di tungsteno puro o tungsteno-nichel-rame hanno un basso magnetismo. Per le parti a pareti sottili-è difficile fissarle in modo affidabile con i tradizionali mandrini elettromagnetici. Per il bloccaggio possono essere presi in considerazione dispositivi di assorbimento del vuoto [10]. Il dispositivo di posizionamento per adsorbimento del vuoto per parti in lega di tungsteno è mostrato nella Figura 5. Figura 5. Diagramma schematico del dispositivo di posizionamento per adsorbimento del vuoto per parti in lega di tungsteno
PARTE.05
Lavorazione per elettroerosione a filo di parti in lega di tungsteno
Le leghe di tungsteno hanno punti di fusione elevati ed elevata durezza e possono essere lavorate utilizzando strumenti ad alta-durezza come strumenti rivestiti, strumenti PVD e strumenti in ceramica. Tuttavia, questi strumenti sono soggetti a un'usura significativa, rendendo difficile la lavorazione di caratteristiche come pori, fessure strette e fori di forma irregolare utilizzando questi strumenti tradizionali. L'elettroerosione a filo (EDM) è un processo di lavorazione speciale. Il suo principio di base è quello di utilizzare un sottile filo di elettrodo metallico in movimento continuo (solitamente filo di rame o molibdeno) per generare scariche di scintille pulsate tra il pezzo in lavorazione e il pezzo in lavorazione. Le temperature generate sono tipicamente fino a 8000-12000 gradi, sufficienti per fondere o addirittura vaporizzare il materiale superficiale della lega di tungsteno, ottenendo così il taglio del pezzo. Il movimento relativo tra il filo dell'elettrodo e il pezzo da lavorare consente all'intero processo di taglio di formare la forma desiderata sulla superficie del pezzo da lavorare. La Figura 6 mostra la lavorazione di fori di forma irregolare su un grezzo in lega di tungsteno mediante elettroerosione a filo. L'elettroerosione a filo viene utilizzata per lavorare parti in lega di tungsteno. L'alta temperatura provoca un cambiamento nella fase cristallina della superficie della lega di tungsteno durante il taglio, risultando in uno strato modificato che degrada le proprietà uniche della lega di tungsteno. Durante l'elaborazione viene utilizzato il metodo "taglio-uno-riparazione-tre", riducendo gradualmente la profondità di taglio e i parametri di potenza dell'impulso per riparare lo strato modificato.
Figura 6: Lavorazione di fori irregolari su un pezzo grezzo in lega di tungsteno mediante elettroerosione a filo
PARTE.06
Conclusione Questo articolo studia e riassume la preparazione del grezzo, i metodi di lavorazione comuni e le difficoltà di lavorazione delle parti di precisione in lega di tungsteno. Nella preparazione dei grezzi, la metallurgia delle polveri è relativamente più matura, produce materiali con una densità migliore e offre vantaggi nella produzione di massa stabile. La produzione additiva, un processo relativamente nuovo sviluppato negli ultimi anni, ha dato vita a vari percorsi di processo e presenta vantaggi nella produzione di parti strutturali con cavità complesse. Nel taglio, gli utensili PCBN presentano vantaggi, poiché raggiungono un'elevata durata dell'utensile e riducono l'impatto dell'usura dell'utensile sulla precisione della lavorazione. La tecnologia di rettifica è vantaggiosa per la lavorazione di superfici regolari, ottenendo una qualità superficiale più elevata. Per le caratteristiche di fori e scanalature, l'elettroerosione a filo offre un'elevata efficienza di elaborazione. Il suddetto processo di preparazione del grezzo, nonché i metodi di taglio, molatura e taglio del filo, possono migliorare efficacemente la qualità della produzione e l'efficienza produttiva delle parti di precisione in lega di tungsteno, fornendo supporto tecnico per lo sviluppo delle industrie correlate.
