ITMI941514A1 - Manufatto monolitico in sinterizzato e procedimento per la sua realizzazione - Google Patents

Description

OGGETTO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un manufatto monolitico sinterizzato, ad esempio in metallo duro, acciaio, ceramica, lega leggera e simile, che presenta caratteristiche tecnologiche differenti in zone diverse dello stesso manufatto.

Pure oggetto del presente trovato è un procedimento per la realizzazione del suddetto manufatto monolitico sinterizzato.

Sempre oggetto della presente invenzione sono gli articoli quali pezzi meccanici, utensili di lavorazione quali matrici per estrusione, punzoni, utensili per perforazioni, punzoni per imbutitura, pistoni, blocchi motore e simili ricavati da detto manufatto.

STATO DELLA TECNICA

Come e' noto, il processo di sinterizzazione e' un trattamento termico che provoca la coesione di granuli di polvere allo scopo di ottenere un solido con caratteristiche fisico-meccaniche prestabilite, che in genere viene indicato con il termine "sinterizzato". Il processo di sinterizzazione avviene per compressione di polveri, ad esempio metalliche, o ceramiche o miste, e successivo trattamento termico delle polveri compresse; tale trattamento termico consente alle particelle di polvere di saldarsi tra loro con ottenimento di una massa compatta monolitica.

I "sinterizzati" vengono impiegati per realizzare parti meccaniche e/o utensili di vario genere che richiedono caratteristiche tecnologiche particolari, quali ad esempio un'ottima resistenza all'usura.

Spesso tali parti meccaniche vengono montate su strutture metalliche tradizionali, come ad esempio nel caso di una punta per perforazione in sinterizzato montata su un punzone per perforazione in acciaio; in questo caso, la punta in sinterizzato presenterà le necessarie caratteristiche di resistenza all'usura, mentre il corpo centrale in acciaio è provvisto di caratteristiche tradizionali, in particolare maggiore tenacità, in quanto soggetto a minore usura; il pezzo nel suo insieme presenterà però bassa stabilità meccanica, a causa della connessione tra i due pezzi realizzati indipendentemente ed in materiali diversi. L'alternativa di realizzare l'intero utensile in sinterizzato comporta costi elevati ed inoltre fa si che venga messo a disposizione un prodotto che presenta in alcune sue parti caratteristiche tecnologiche non ottimali, quali ad esempio una insufficiente tenacità.

Quando il sinterizzato è costituito da particelle dure, ad esempio carburo di tungsteno (WC), disperse in una matrice metallica ad esempio di cobalto (Co), il materiale sinterizzato risultante, viene indicato in generale come metallo duro; come è noto inserti di metallo duro possono essere connessi ad una struttura metallica attraverso fissaggio meccanico, brasatura o incollaggio, come ad esempio nel caso degli utensili per la lavorazione meccanica per asportazione di truciolo, con il vantaggio di conferire all'utensile particolari caratteristiche di resistenza all'usura, ma a prezzo di una bassa e spesso insufficiente stabilita' meccanica, unita ad elevati costi di lavorazione. Viceversa, il metallo duro può' essere utilizzato tal quale per realizzare l'utensile necessario, ma in questi casi si riscontra frequentemente una situazione conflittuale tra le caratteristiche di tenacità e di resistenza all'usura dell'utensile così realizzato.

In generale, le caratteristiche tecnologiche di un sinterizzato sono fortemente dipendenti sia dalla composizione del sinterizzato stesso, che dalla forma e/o dalle dimensioni delle particelle costituenti.

Ad esempio nel caso di un sinterizzato costituito da metallo duro WC/Co, le caratteristiche del sinterizzato sono fortemente dipendenti dalle percentuali relative di Co e WC che costituiscono il metallo duro, in quanto un aumento della percentuale di WC conferisce al materiale sinterizzato un aumento della resistenza all'usura ma anche una contemporanea diminuzione della duttilità' e viceversa; tali caratteristiche sono anche influenzate notevolmente ad esempio dalle dimensioni delle particelle di WC, nonché dalla loro forma.

Vengono quindi attivamente ricercati nuovi prodotti che possano soddisfare richieste di applicazione in settori sempre più diversificati. Ad esempio, nel campo dei metalli duri, sono state studiate nuove formulazioni di metalli duri ottenute addizionando alla matrice metallica di cobalto elementi di alligazione oppure altri tipi di carburi, quali il carburo di titanio (Tic) o quello di Tantalio (TaC), al fine di regolare la crescita dei carburi durante il processo di sinterizzazione, regolando in tal modo anche le caratteristiche tecnologiche del prodotto. Per quanto tali studi abbiano dimostrato la possibilità di ottenere dei materiali sinterizzati ed in particolare dei metalli duri che presentino opportune gradazioni nel rapporto resistenza all'usura/tenacità , risulta molto difficile ottenere un materiale che permetta di soddisfare completamente la necessità di una elevata tenacità e di conseguenza la tenuta meccanica del manufatto nella sua globalita', e ad esempio un'elevata resistenza all'usura soprattutto in relazione alle zone del manufatto che la richiedono.

Nel caso delle leghe leggere, in particolare delle leghe di alluminio, sono stati ad esempio studiati e anche realizzati pistoni di motori a scoppio, provvisti di inserti in leghe più resistenti alla usura e/o al calore posizionati in varie zone del pistone stesso a seconda del tipo e della intensità della sollecitazione alla quale sono sottoposte le varie zone.

SCOPI DELL'INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un manufatto monolitico sinterizzato, che risulti provvisto di caratteristiche tecnologiche quali tenacità, resistenza all'usura, resistenza alla fatica, resistenza alla corrosione, alla temperatura e/o agli sbalzi termici e simili, differenti in diverse zone del manufatto stesso, e che risulti quindi impiegabile per varie applicazioni .

Altro scopo del presente trovato e' quello di mettere a disposizione un manufatto monolitico in sinterizzato che risulti provvisto di elevata stabilità meccanica, pur essendo provvisto di caratteristiche tecnologiche diverse a seconda delle zone del manufatto stesso.

Pure un altro scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un manufatto monolitico in sinterizzato, che comporti costi di lavorazione contenuti e che consenta di realizzare articoli e utensili vari a seconda dell'impiego richiesto.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione articoli vari, quali pezzi meccanici e utensili quali matrici per estrusione, punzoni, utensili per perforazioni, punzoni per imbutitura, pistoni, blocchi motore e simili in sinterizzato che presentino caratteristiche tecnologiche quali tenacità, resistenza all'usura, resistenza alla fatica, resistenza al calore e agli sbalzi termici e simili differenti ed equilibratamente distribuite in zone diverse dello stesso utensile.

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

Questi ed altri scopi ancora e relativi vantaggi che piu' chiaramente saranno evidenziati dalla descrizione che segue, vengono raggiunti da un manufatto monolitico in sinterizzato il quale manufatto presenta composizioni e/o strutture diverse nelle varie zone del manufatto stesso e conseguentemente, caratteristiche tecnologiche differenti nelle diverse zone.

Più particolarmente secondo la presente invenzione, quando detto sinterizzato è un metallo duro a base di cobalto (Co) e carburo di tungsteno (WC) il corrispondente manufatto in sinterizzato presenta composizioni diverse e cioè rapporti differenti tra Co e WC nelle sue varie parti e conseguentemente caratteristiche tecnologiche diverse distribuite in zone differenti. Ad esempio, sempre secondo il presente trovato, una zona del manufatto presenterà una elevata percentuale di WC rispetto alla percentuale di Co, mentre un'altra zona dello stesso manufatto presenterà una percentuale di Co maggiore rispetto a quella impiegata tradizionalmente; di conseguenza, il manufatto monolitico presenterà una zona caratterizzata da particolare resistenza all'usura ed un'altra zona caratterizzata da migliorata duttilità.

Sempre secondo la presente invenzione, il manufatto monolitico in sinterizzato può presentare una composizione mediamente unitaria, ma ad esempio può comprendere aree di WC di forma e/o dimensioni differenti distribuite in zone diverse dello stesso manufatto; in particolare, una parte del manufatto monolitico può comprendere aree di WC di forma poligonale di una certa dimensione media, mentre un'altra parte del manufatto può comprendere aree di WC di dimensioni medie inferiori e/o di tipo filamentoso e quindi di forma allungata. Il suddetto manufatto risulterà provvisto di caratteristiche tecnologiche differenti in corrispondenza delle zone comprendenti le aree di WC di forma e/o di dimensione mediamente diversa.

Sempre secondo la presente invenzione, il manufatto monolitico in sinterizzato può presentare composizioni diverse e strutture di forma e/o dimensioni diverse distribuite in zone differenti del manufatto stesso; in questo caso il manufatto in sinterizzato sarà provvisto di caratteristiche tecnologiche differenti distribuite in varie sue zone e tali caratteristiche saranno in relazione alle diverse composizioni ed ai vari tipi di struttura.

Sempre secondo il presente trovato, con il manufatto monolitico si possono vantaggiosamente realizzare matrici per estrusione, punzoni, utensili per perforazioni, punzoni per imbutitura, pistoni per motori a scoppio e blocchi motore in lega leggera e simili; nel caso di matrici per estrusione, la matrice risulterà strutturata in modo tale per cui la zona sottoposta a maggiore usura risulta dotata di ottime caratteristiche di resistenza all'usura, mentre la zona adiacente sarà dotata di caratteristiche tecnologiche diverse, in quanto non sarà più necessaria una elevata resistenza all'usura ma ad esempio maggiore duttilità.

Ancora, nel caso in cui ad esempio sia necessario realizzare componenti formati in leghe metalliche rinforzati parzialmente in zone prestabilite perchè sottoposte a particolari sollecitazioni e/o usura, il manufatto in sinterizzato secondo il presente trovato risulta particolarmente vantaggioso, in quanto potrà presentare la zona sottoposta a maggiore usura dotata di caratteristiche di elevata resistenza all'usura rispetto alla zona che non necessita rinforzo, pur essendo realizzato in pezzo unico, essendo cioè monolitico.

Inoltre, sempre secondo la presente invenzione, possono essere vantaggiosamente ricavati da detto manufatto monolitico in sinterizzato ad esempio blocchi motore integrali in lega leggera per autoveicoli, che presentino caratteristiche di maggiore resistenza all'usura in corrispondenza delle canne cilindri che, come noto, sono soggette a severe sollecitazioni di usura, ovviando così all'inconveniente di dover realizare dette canne in ghisa con conseguente necessità di loro inserimento per piantaggio nel blocco motore, o, allo scopo di ottenere un blocco integrale, di dover impiegare una lega leggera speciale con caratteristiche di elevata resistenza all'usura relative all'intero blocco motore, con costi molto elevati.

Sempre a titolo esemplificativo, sono vantaggiosamente ricavati da detto manufatto in sinterizzato, ad esempio in metallo duro Co/WC, stampi o punzoni per la deformazione di acciai speciali, nei quali la zona che entra in contatto diretto con il materiale da lavorare, e che quindi è sottoposta ad elevate sollecitazioni per usura, avrà un maggiore contenuto in carburo di tungsteno (WC) e sarà quindi maggiormente resistente all'usura, o presenterà una distribuzione di particelle di WC di forma e dimensioni adatte a conferire al metallo duro le necessarie proprietà di resistenza all'usura e tenacità.

Come già detto, il manufatto secondo la presente invenzione presenta il vantaggio di essere costituito da un unico pezzo, di essere appunto monolitico pur essendo dotato di differenti caratteristiche tecnologiche in diverse sue parti; si evita cosi' il grosso inconveniente di dover accoppiare meccanicamente tra loro pezzi distinti dotati di diverse caratteristiche tecnologiche ed ottenuti separatamente, con risultati non sempre soddisfacenti per mancanza di stabilita' meccanica del pezzo risultante e elevati costi di lavorazione; oppure di dover realizzare l'intero utensile provvisto di caratteristiche tecnologiche omogenee, ovviando al problema della insufficiente stabilità meccanica, ma sfruttando soltanto in minima parte le suddette caratteristiche tecnologiche.

Sempre secondo il presente trovato, il procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato, comprende le seguenti fasi:

- caricamento in uno stampo di forma e dimensioni opportune di una pluralità di miscele di polveri, dette miscele essendo di composizione differente e/o costituite da particelle di forma e/o dimensioni differenti, ed essendo posizionate nello stampo in zone diverse, a seconda delle caratteristiche tecnologiche che si vogliono ottenere nelle diverse zone di detto manufatto; - compattazione di detta pluralità di miscele caricate nello stampo con ottenimento di un materiale formato compattato;

- estrazione del materiale formato dallo stampo;

pre-sinterizzazione del materiale formato secondo tecniche tradizionali;

- sgrossatura di detto formato pre-sinterizzato;

sinterizzazione, con ottenimento di un manufatto monolitico sinterizzato che presenta caratteristiche tecnologiche differenti in zone diverse dello stesso manufatto a seconda del posizionamento di dette miscele nello stampo;

- lavorazione finale del manufatto monolitico con ottenimento di un articolo o utensile in sinterizzato di forma e dimensioni diverse a seconda dell'applicazione richiesta .

Le diverse miscele di polveri possono essere premescolate con un opportuno lubrificante, quale ad esempio paraffina.

Sempre secondo il presente trovato, una o più di dette miscele di polveri possono essere costituite da una sola polvere che viene ad esempio interposta tra due miscele diverse per costituire una zona "cuscinetto" o di transizione tra due zone adiacenti aventi caratteristiche strutturali e/o di composizioni diverse ed eventualmente anche molto distanti tra loro.

Particolarmente, nel caso in cui detto manufatto monolitico è realizzato in metallo duro, ad esempio Co/WC, durante la fase di caricamento, tra le diverse miscele di polveri, in questo caso costituite da Carburo di tugsteno e da Cobalto, può essere vantaggiosamente interposto uno strato di particelle costituite da un solo metallo, in questo caso cobalto, che, nel manufatto finale costituirà un "cuscinetto" tra le zone a diversa struttura e/o composizione e con caratteristiche tecnologiche differenti.

Detto stampo può essere realizzato in acciaio, oppure come stampo può essere vantaggiosamente impiegata una guaina di materiale polimerico, ed in questo caso viene impiegata una tecnica di compattazione isostatica a freddo (CIP, cold isostatic pressing). Possono inoltre essere vantaggiosamente impiegate, quando richiesto, altre tecniche di compattazione quali ad esempio HIP {compattazione isostatica a caldo) o Sinter HIP.

A titolo esemplificativo, vengono riportate schematicamente nelle tavole di disegno allegate le fasi relative al procedimento per la preparazione di un manufatto monolitico in sinterizzato, ad esempio in metallo duro Co/WC secondo la presente invenzione; in particolare, con riferimento alle allegate tavole di disegno, date a solo titolo indicativo e non limitativo del presente trovato, nella tavola 1, le figure da 1 a 7 mostrano schematicamente, il procedimento per la preparazione di un manufatto monolitico in metallo duro secondo la presente invenzione, mentre nella tavola 2, sempre schematicamente, le figure da 8 a 11 mostrano una particolare forma realizzativa del manufatto in metallo duro secondo la presente invenzione a confronto con un manufatto in metallo duro secondo l'arte nota, in particolare con ottenimento finale di una matrice per estrusione.

In particolare, la figura 1 mostra uno stampo 1 caricato con due miscele, ciascuna comprendente polveri di metallo e particelle dure, ad esempio comprendente polveri di Co e di WC; tali miscele, indicate rispettivamente con 2 e 3, hanno composizione differente secondo il presente trovato e la forma e le dimensioni delle particelle di WC possono essere anche diverse nelle due diverse miscele; le suddette miscele 2 e 3 vengono posizionate nello stampo sovrapposte una all'altra in modo tale che al termine del procedimento le caratteristiche del metallo duro ottenuto risultino distribuite spazialmente in modo da soddisfare le esigenze di applicazione della matrice; la figura 2 mostra la fase di pressatura delle miscele posizionate nello stampo, che avviene mediante impiego di una pressa 4; la figura 3 mostra la fase di estrazione del materiale compattato e formato 5 dallo stampo mentre la figura 4 mostra la fase di presinterizzazione del materiale 5 all'interno di un forno di sinterizzazione 6. La figura 5 mostra sempre schematicamente il materiale presinterizzato e lavorato 7 mentre la figura 6 mostra la fase di sinterizzazione del materiale 7 con ottenimento di un manufatto 8, sottoposto a lavorazione finale (rettifica) al termine della fase di sinterizzazione in modo che il prodotto finito o utensile 8 risulti provvisto di caratteristiche tecnologiche in corrispondenza di 3 diverse dalle caratteristiche tecnologiche in corrispondenza di 2.

Le figure 8 e 9 mostrano, schematicamente, una matrice per estrusione a caldo di acciai speciali 10 realizzata in sinterizzato secondo l'arte nota, rispettivamente prima e durante la fase di estrusione dell'acciaio indicato con 11. L'imbocco della matrice sara' soggetto a maggiore usura, mentre il corpo centrale sara' soggetta a minore usura. Le figure 10 e 11 mostrano invece, sempre schematicamente, la stessa matrice per estrusione realizzata in sinterizzato secondo la presente invenzione; in questo caso, la matrice 9, pur realizzata in corpo unico, consisterà' di un imbocco 13 dotato di caratteristiche di maggiore resistenza all'usura laddove soggetto a maggiori attriti.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Manufatto monolitico in sinterizzato caratterizzato dal fatto che presenta composizioni e/o strutture diverse nelle varie zone del manufatto stesso e conseguentemente caratteristiche tecnologiche differenti nelle diverse zone.
2. 2. Manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sinterizzato è metallo duro.
3. 3. Manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto metallo duro comprende cobalto (Co) e carburo di tungsteno (WC).
4. 4. Manufatto monolitico sinterizzato secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto sinterizzato è in lega leggera.
5. 5. Manufatto monolitico sinterizzato secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto sinterizzato è in acciaio ed è ottenuto da polveri a base ferrosa .
6. 6. Manufatto monolitico sinterizzato secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto sinterizzato è in ceramica.
7. 7. Procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti fasi: - caricamento in uno stampo di forma e dimensioni opportune di una pluralità di miscele di polveri, dette miscele essendo di composizione differente e/o costituite da particelle di forma e/o dimensione differenti ed essendo posizionate nello stampo in zone diverse, a seconda delle caratteristiche tecnologiche che si vogliono ottenere nelle diverse zone di detto manufatto; - compattazione di dette pluralità di miscele caricate nello stampo con ottenimento di un materiale formato compattato; - estrazione del materiale formato dallo stampo; pre-sinterizzazione del materiale formato secondo tecniche tradizionali; - sgrossatura di detto formato pre-sinterizzato; sinterizzazione, con ottenimento di un manufatto monolitico sinterizzato che presenta caratteristiche tecnologiche differenti in zone diverse dello stesso manufatto a seconda del posizionamento di dette miscele nello stampo; - lavorazione finale del manufatto monolitico con ottenimento di un articolo o utensile in sinterizzato di forma e dimensioni diverse a seconda dell'applicazione richiesta.
8. 8. Procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che una o più di dette miscele di polveri sono costituite da una sola polvere.
9. 9. Procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto sinterizzato è metallo duro a base di Cobalto (Co) e Carburo di Tungsteno (WC).
10. 10. Procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che tra le diverse miscele di polveri a composizione e/o struttura differente viene interposto uno strato di una miscela costituita da polveri di solo metallo atto a costituire matrice.
11. 11. Procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che dette miscele di polveri sono premiscelate con un opportuno lubrificante quale paraffina.
12. 12. Procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto stampo e' una guaina in materiale polimerico e che detta compattazione avviene impiegando una tecnica di compattazione isostatica a freddo (CIP, cold isostatic pressing).
13. 13. Procedimento per la realizzazione di un manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta compattazione avviene impiegando una tecnica di compattazione isostatica a caldo (HIP) o Sinter HIP.
14. 14. Manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che e' un utensile di lavorazione quale matrice per estrusione, punzone, utensile per perforazioni, punzone per imbutitura, stampo o punzone per la deformazione di acciai speciali.
15. 15. Manufatto monolitico in sinterizzato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che è un pistone per motore a scoppio o un blocco motore integrale in lega leggera per autoveicoli.