I FORNI PER SINTERIZZAZIONE E TRATTAMENTI TERMICI


La sinterizzazione è un processo nel quale, con un meccanismo di diffusione delle lacune e degli atomi nei punti di contatto delle particelle, ovvero ai bordi dei grani, si riducono le porosità, aumenta la resistenza meccanica ed in generale aumenta la densità e si presentano dei ritiri dimensionali dei pezzi pressati. Il processo dipende dalla temperatura ed avviene in fase solida con eventuale presenza di una piccola % di fase liquida. Come curiosità interessante si ricordi che il ghiaccio sinterizza a temperature sotto zero. Talvolta la sinterizzazione è accompagnata da cambiamenti di fase e reazioni chimiche e metallurgiche alle quali possono partecipare anche i gas che compongono l'atmosfera all'interno del forno. E' il caso ad esempio della reazione di carbocementazione delle leghe Fe-C che permette di “indurire” gli strati superficiali degli acciai sinterizzati.

La tendenza di base nella costruzione dei forni degli ultimi 50 anni è stata il passaggio dai forni discontinui (a camera) ai forni continui che permettono un aumento di produttività, maggiore uniformità delle caratteristiche del sinterizzato ed un risparmio energetico. I forni continui si distinguono a seconda della soluzione adottata per l'avanzamento della carica in: forni a nastro, forni a spinta, forni a passo pellegrino. Nei forni industriali moderni si raggiungono temperature massime di sinterizzazione di 1450 °C  e fino a 1800 °C. La temperatura tipica per la sinterizzazione di acciai al C è 1120°C, mentre per gli acciai inossidabili o alto legati è 1250°C.

Sono stati introdotti nuovi materiali isolanti e refrattari con prestazioni migliorate.
Nel caso del riscaldamento elettrico teleruttori e autotrasformatori vengono progressivamente sostituiti dai tiristori. Nel riscaldamento a gas sono stati sviluppati i bruciatori modulanti ad alto rendimento. Nel caso dei forni per ceramiche hanno avuto una grande diffusione i forni a rulli.

L'impiego dei più recenti componenti elettronici e dei controllori a logica programmabile (PLC) permette di controllare con precisione, di regolare facilmente, secondo il prodotto che si sinterizza, e di programmare tutti i parametri di funzionamento di un forno:
- profilo di temperatura
- composizione e pressione dell'atmosfera
- velocità di avanzamento della carica
- raffreddamento e scambio di calore
- generatori dei gas protettivi e/o di reazione
- emissione dei fumi
- sicurezze ed interventi d'emergenza (prevenzione del pericolo di intossicazione e di scoppio)

Rispetto alla sinterizzazione di ossidi e materiali ceramici (con alcune eccezioni come, per esempio, le “ferriti dolci”) dove l'atmosfera nel forno di sinterizzazione è aria, nella MdP si usano particolari miscele di gas, di protezione e/o di reazione, la cui composizione, comprese le inevitabili impurità, è molto importante per la qualità del sinterizzato e dipende anche dagli impianti di generazione associati al forno:
- ammoniaca dissociata
- atmosfere a base di azoto
- atmosfere a base di idrogeno
- endogas
- esogas
- atmosfere ossidanti
Un caso particolare è la sinterizzazione sotto vuoto.
I principali impianti per la generazione delle atmosfere di protezione e reazione nelle camere di sinterizzazione sono:
- essicatori
- dissociatori di ammoniaca
- generatori di endogas; conversione o dissociazione, in presenza di catalizzatore, di metano o propano o gas di città o metanolo. Questa reazione richiede calore per raggiungere la temperatura alla quale procede velocemente.
- generatori di esogas; combustione parziale di metano o propano C3H8 o miscele di idrocarburi o gas di città.
- generatori interni di endogas; con questi impianti sviluppati recentemente, una miscela di metanolo CH3OH e azoto è introdotta direttamente nella zona di sinterizzazione ad alta temperatura.
In molti casi le atmosfere di protezione e/o reazione nei forni sono ottenute miscelando gas puri provenienti da serbatoi esterni dove sono immagazzinati allo stato liquido.
Nella tabella che segue sono indicate alcune composizioni tipiche delle atmosfere controllate per la sinterizzazione degli acciai al carbonio (C circa 0,5%):

  COMPOSIZIONE PERCENTUALE IN VOLUME P. Rug. 
TIPO
N2
H2
CO
CO2
O2
CH4
NH3
H2O
°C
Endogas
38,5
40,5
20,1
0,08
-
0,5
0
0.3
0
Endogas
41,5
37,5
19
0,3
-
0,4
0
1,2
15
Endogas
44,7
31
23,3
0,1
-
0,3
0
0,5
10
Endogas
40
40
19,5
0,5
-
-
-
0,6
-
H2
-
>99,9
-
-
-
-
-
0,01
-60
N2
>99,9
-
-
-
-
-
-
0,01
-60
Esogas
25
75
-
-
-
-
<0,003
0,05
-50
Base N2
90
9,9
-
-
-
-
-
0,01
-60 
Base N2
90
9,5
-
-
-
0,5
-
0,02
-55 
Base N2
84,5
10
5
0,005
<5ppm
0,3
-
0,1
-30 
95/5
>95
<5
-
-
-
0,1-0,5
-
-
-28


Le composizioni indicate sono quelle all'entrata nel forno a pressione atmosferica e a temperatura ambiente. Nel forno la composizione dipende dalle complesse reazioni che avvengono tra i vari gas e con la carica alla temperatura e pressione interne. Il controllo della composizione della atmosfera nel forno viene fatto con sonde lambda, sonde ad ossigeno, analizzatori multi canali collegati al computer.
Nell'ultima colonna è indicato il punto di rugiada che è una misura indiretta della percentuale del vapor d'acqua.

In particolari condizioni di sinterizzazione e di caratteristiche della carica si ha un abbassamento della percentuale di carbonio all'uscita dalla zona ad alta temperatura. Ciò pregiudica le caratteristiche meccaniche dei pezzi. Per evitare questo inconveniente il forno viene dotato di una zona di restaurazione del C dove viene iniettato metano, propano, metanolo, etanolo CH3CH2OH, endogas.
La temperatura alla quale avviene il ripristino del carbonio è tra 850°C e 950°C, quindi si deve prevedere un sistema di raffreddamento rapido nel passaggio dalla zona di sinterizzazione alla zona di restaurazione del carbonio. Il raffreddamento, rapido in certe condizioni, contribuisce anche all'indurimento dei pezzi.

Evidentemente le camere dei forni ad atmosfera controllata devono essere a tenuta di gas. Ciò viene realizzato con muffole in acciaio e/o ceramiche, in materiali speciali, opportunamente sagomate ( v. fig. 14). All'entrata e all'uscita dei forni continui ad atmosfera controllata si realizzano delle saracinesche in modo da separare il canale del forno dall'ambiente esterno. In certi forni a nastro l'entrata e l'uscita sono più in basso della zona di sinterizzazione in modo da assicurare una maggiore uniformità di pressione e di composizione dell'atmosfera. Molto spesso prima della sinterizzazione vera e propria i pezzi compatti devono essere sottoposti a un trattamento di estrazione delle sostanze organiche usate nella pressatura (oli, cere, ecc.) con temperature fino a 800°C. Nei forni continui ciò viene fatto nella prima parte del forno. Sempre all'entrata del forno c'è il sistema di estrazione dei fumi che generalmente comprende un regolatore di portata, una torcia per bruciare i residui combustibili ed eventualmente un inceneritore o postcombustore per eliminare le sostanze organiche dai fumi e rispettare le norme sulle emissioni. I forni che utilizzano atmosfere contenenti CO, H2 (o in generale gas riducenti l'aria, come in quasi tutte le atmosfere controllate) sono dotati di efficaci cortine di fiamma sulle aperture che assicurano una completa ossidazione dei gas che sfuggono verso l'esterno dal forno.

Un particolare processo della MdP è il trattamento a vapore (v. fig. 15) consistente nell'ossidare a Fe3O4  (magnetite) uno strato uniforme di spessore di circa 5 micron sulla superficie dei sinterizzati ferrosi.
In questo modo si ottiene l'eliminazione della porosità interconnessa e un miglioramento delle proprietà meccaniche. Anche per questo processo è in corso un progressivo passaggio dai forni discontinui a pozzo ai forni continui. La temperatura di lavoro è circa 550°C, l'atmosfera è vapore d'acqua.

Sono stati messi a punto anche speciali forni continui per pezzi prodotti secondo la tecnologia MIM e CIM.