Caratterizzazione delle polveri metalliche e scorrevolezza

Nel dicembre 2020 Nature ha pubblicato un articolo di ricercatori dell’Università di Ostrava (Repubblica Ceca) su un metodo di caratterizzazione e di scorrevolezza delle polveri metalliche.

I pezzi metallici si fabbricano con metodi tradizionali e moderni. Molti metodi moderni partono da polveri metalliche e le trasformano per compressione, sinterizzazione, spruzzatura, o per fabbricazione additiva: fusione laser selettiva (SLM), apporto di polvere laser (LPF), getto di legante (BJ) e letto di polvere a fascio di elettroni (EPBF). La scelta del metodo cambia le proprietà del pezzo, ma le proprietà in ingresso della polvere contano in ogni caso: scorrevolezza, composizione chimica, dimensione delle particelle, proprietà ottiche e termofisiche, tensione superficiale. Ogni processo additivo impone i propri parametri della polvere.

Più si diffonde la fabbricazione additiva, più conta caratterizzare le polveri metalliche. Le proprietà della polvere devono andare bene per ogni macchina e la fabbricazione deve essere uniforme. L’articolo caratterizza dieci polveri metalliche (316L, Zn, Sn, Al, Cu, Mn, Fe, bronzo, Ti, Mo): distribuzione granulometrica, morfologia, angoli di riposo statico e dinamico, angolo di attrito interno effettivo (AIFE).

La velocità di uscita si valuta con l’angolo di riposo statico (AOR), e la variazione dell’AOR completa la descrizione del comportamento del campione. La scorrevolezza è stata determinata anche con prove di taglio RST, PFT e FT4. L’AOR statico è stato misurato con un apparecchio protetto dal brevetto PV2015-239. Qui sotto si presenta la prova dell’apparecchio e del metodo di angolo di uscita statico e dinamico dell’Università tecnica di Ostrava VSB. L’apparecchio si chiama Zenegero.

Apparecchio di regolazione dell’AOR

AOR statico di dieci polveri metalliche

Questo è un riassunto della misura dell’angolo di riposo dinamico (DAOR). Per la maggior parte dei campioni, l’angolo medio misurato è aumentato quando la frequenza di rotazione è passata da 0,2 Hz a 0,6 Hz. La figura mostra tutti i campioni: 316L, Sn, Ti, Fe, bronzo, Al, Cu, Zn, Mn e Mo.

Per la polvere 316L, la differenza di angolo medio tra 0,2 e 0,6 Hz è stata la maggiore. Quando la frequenza aumenta, la forma del flusso passa dal rotolamento a 0,2 Hz alla cascata a 0,6 Hz. La media degli angoli a tre velocità locali ha avuto uno scarto tipo grande, 49.4° ± 9°. Lo stagno ha avuto la minore dispersione dell’angolo medio, 44.8° ± 1.5°. Per questo la polvere di stagno ha dato la migliore stabilità complessiva del flusso dinamico. Durante la misura del DAOR, un rotolamento costante a tutte le frequenze di prova ha confermato quella stabilità. Il flusso della polvere di alluminio cambiava di più con la frequenza: rotolamento alle basse frequenze e poi un passaggio graduale al regime cataract.

L’AIFE è stato determinato su tre apparecchi di largo uso: RST, PFT e FT4. La figura mostra l’AIFE delle dieci polveri e gli intervalli di RST, PFT e FT4. Per tutte le polveri tranne l’alluminio, l’intervallo assoluto del PFT è stato il minore. Può dipendere dal software di valutazione. Sul FT4, la variazione dell’angolo AIFE effettivo è stata la maggiore. L’ampio intervallo dell’alluminio può essere legato al fatto che è un metallo leggero, tenero e facile da deformare plasticamente. Per il titanio, le cui particelle per il 90 % non sono più grosse di 452 µm, la dispersione netta dell’angolo effettivo dipende dalla dimensione e dalla forma delle particelle. Durante la misura, particelle di titanio più grandi sono rimaste incastrate tra il cilindro di vetro e l’aletta di misura (testa di taglio). L’intervallo è di 1 mm, ma la forma delle particelle di titanio aumenta la resistenza dell’aletta nel senso opposto al movimento e alza la tensione di taglio.

AIFE di dieci polveri metalliche

Lo scopo dell’articolo è valutare il flusso delle polveri metalliche e la sua possibile dipendenza dalle proprietà meccaniche e fisiche delle miscele, delle particelle e di altri parametri. Si sono usati metodi generali basati su classificazioni note dei materiali sfusi. Anche in rapporto alla digitalizzazione o all’industria 4.0, questi metodi restano in uso.

Fonte: Characterization and flowability methods for metal powders

• Jiri Zegzulka, Daniel Gelnar, Lucie Jezerska, Rostislav Prokes & Jiri Rozbroj